液压系统的动力学性能分析与控制研究

液压系统动态

液压系统动态分析讲义

第⼀章绪论

引⾔

对于⼀个系统⽽⾔，输⼊和扰动往往随时间改变，系统中变量都与时间有关。因此，系统特性的分析和设计必须考虑动态特性。

我们专业作为机械学科的分⽀，所研究对象的动态特性分析也是⼀个极为重要的问题。这门课程叫液压系统动态分析。顾名思义，是研究液压系统的动态特性。

液压系统要能正常⼯作，必须满⾜以下⼏⽅⾯的基本要求：(1) ⼯作循环要求：完成系统所要求的⼯作循环；

(2) 静态特性要求：主要性能参数满⾜系统⼯作的要求，如驱动负载能⼒，包括运动(⾏程、速度和加速度)和⼒(⼒矩)的要求；

(3) 动态特性要求：⼀般的液压系统应能满⾜系统⼯作时的动态特性要求，如不能产⽣振动、爬⾏或液压冲击，⼯作环节的切换快速平稳，动态误差⼩。在对液压系统的动态特性要求较⾼时，仅考虑静态特性进⾏设计是不够的，还必须进⾏动态特性分析。如果系统的动态特性不好，在动态过程中的⼯作情况就不能满⾜要求，甚⾄⽆法正常⼯作。由于对液压系统⼯作性能的要求不断提⾼，液压系统的动态特性已逐渐被⼈们所重视。

液压系统的动态特性使其动态过程中的特性。液压系统的动态过程可由很多原因引起，归纳起来有下述两个⽅⾯：(1) 控制过程：为实现系统所要求的动作，某⼀或某些元件要受控并改变状态。如启动、制动、运动⽅向或速度、压⼒的转换等。(2) 外界⼲扰

液压系统在产⽣动态过程以前，是在某⼀稳态状况下⼯作的，即系统中各参量相互间的关系都处于静平衡状态。系统产⽣动态过程时，这种平衡状态遭到破坏；动态过程结束时，系统由达到新的平衡状态。所以液压系统的动态过程时系统失去原来平衡状态到达新的平衡状态的过程。在这⼀过程中，系统中各参量都在随时间发⽣变化，这种变化过程性能的好坏，就是系统动态特性的优劣。

⼀、研究对象、内容和意义

液压元件与系统都是我们的研究对象，具体可分为三类：

（1）具有内反馈机制的液压元件，如溢流阀、恒压泵等。这类元件通过其内部的反馈调节机制，控制压⼒、流量或者是功率为恒定值。对于液

液压传动系统中的流体力学数值模拟分析

液压传动系统中流体力学数值模拟分析

液压传动系统是工业领域中使用最广泛的动力传输系统之一，其中关键的核心引擎就是液压泵和液压马达。在液压传动系统中，流体动力学是一项重要的科学技术，它涉及了流体内部的运动、力学性质以及流体与固体物体之间的相互作用。因此，为了更好地了解其性能，对其流体力学行为进行数值模拟分析是十分重要的。

流体力学数值模拟的基础理论

流体力学数值模拟作为一种数值计算方法，其基础理论主要是连续介质力学和数值计算力学。连续介质力学认为流体是无限可分的连续介质，其运动可以用流体的内部物理量（如密度、速度、压力等）来描述。这些物理量之间的关系可以用流体动力学方程组（例如Navier-Stokes方程组）来描述。

数值计算力学则是将流体力学方程组转化为计算机可以处理的数学模型，主要是围绕着离散化方法、求解方法和模型验证三个方面进行的。其中离散化方法主要是为了将空间和时间连续性问题离散化为离散的网格点上联系的数值问题，求解方法则是通过建立计算模型解决因模型较复杂而导致实际求解困难的问题。最终模型验证则是为了确保所建立的数值模型具有可信性和正确性。

数值模拟分析在液压传动系统中的应用

通过在计算机上进行液压传动系统的数值模拟分析，可以研究其工作原理，探究其性能、功能和可靠性等问题。可利用数值模拟分析来仿真不同工况下的运行，精细化的设计液压传动系统以适应复杂的算法与计算需求，进而优化液压传动系统的结构和运行。另一方面，也可以优化液压元器件，改进其性能和标准。

数值模拟分析方法一般分为两类，一种为数值流体力学模拟方法，另一种为多体动力学模拟方法。 （1）数值流体力学模拟方法

数值流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为流体力学数值模拟中的一个分支，主要以对流传热问题、动量、质量、能量变化等为研究对象，分析研究流体的内部流动情况、分布情况和传输情况。借助计算机优秀的计算能力，我们可以在微观层面上探究液压传动系统中的流体力学特性，以此精确地预估其性能、寿命和可靠性。

东北大学

硕士学位论文

混凝土泵车液压柔性臂架动力学分析与控制

姓名：张婧

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：刘杰

20060101东北大学硕士学位论文摘要

混凝土泵车液压柔性臂架动力学分析与控制

摘要

以混凝土布料机械、隧道喷浆机器人、喷漆机器人等为代表的一类施工装卸机械臂

系统，在现代化施工当中应用广泛。这类机械臂系统具有火型、重载、轻质的特点，其

运动既是空间大范围的刚体运动与弹性变形的耦合，也是柔性多体动力学与管道流变动

力学的耦合，是典型的多输入、多输出、高度非线性、多种物理规律耦合的复杂系统。

本文以混凝土泵车的液压柔性臂架为研究对象，针对以上特点，对于如下几点进行

了研究与尝试。

（１）泵车液压柔性臂架的柔性多体动力学分析

在对臂架结构进行动力学分析与控制方法的研究时，过去大多将其作为多刚体系统

来处理，而实际上，泵车的各节布料臂较长，工作过程中，臂架在油缸的冲击载荷作用

下会发生振动，臂架的弹性变形较大，臂架机构振动位移对作业质量影响很大。因此，

采用刚性模型来处理，会带来一定的偏差，影响控制精度。本文通过考虑臂架的弹性变

形，将其作为柔性臂来处理，采用柔性多体系统动力学，建立了布料机构的动力学模型。（２）臂架系统的控制方案设计

目前泵车的布料机构基本为由回转机构、多节臂杆、输送料管、液压缸和支撑连杆

等部分组成的串联开链机构。尽管其具有机动、灵活、高效等特点，然而由于臂架系统

属于轻质、大型、重载的柔性臂系统，大范围作业常需人工辅助操作，部件在驱动系统

的激励下，运行时伴随管道内的流体输送，产生巨大的惯性力，使系统产生强烈的振动，

影响布料臂系统姿态的稳定性及定向精度，并伴随着结构过早疲劳破坏。凶此，臂架布

料轨迹的控制显得十分必要。本文由此采用了ＰＤ控制的方法，设计了控制方案。

（３）臂架系统完备动力学建模

考虑到系统结构、驱动、控制各部分相互耦合的特性，采用了完备的动力学建模方

法，获得系统的完备闭环方程，并采用ＭＥＢＤＦＤＡＥ求解器对四节臂臂架系统进行了数值

第24卷第1期2010年3月上 海 工 程 技 术 大 学 学 报JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITYOFENGINEERINGSCIENCEVol.24No.1Mar.2010

文章编号:1009-444X(2010)01-0014-06

收稿日期:2010-03-08作者简介:魏海波(1985-),男,在读硕士,研究方向为车辆电子控制.E2mail:291144813@阀控缸液压振动系统动态性能分析

魏海波,陈 博

(上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620)

摘要:根据阀控缸系统的工作原理,建立系统的动力学方程.运用MATLAB软件,对活塞回程

和冲程过程中的活塞速度、位移、氮气室压力变化规律进行分析,并且建立了活塞和阀芯运动的

数学模型.利用MATLAB软件进行了模型求解与显示,得到活塞和阀芯的运动规律以及流体参数的变化规律.

关键词:阀控缸;液压冲击器;动态性能;数学建模

中图分类号:TH137.5 文献标志码:A

DynamicCharacteristicsAnalysisofHydraulicVibration

SystemofValve2ControlledCylinder

WEIHai2bo,CHENBo

(CollegeofAutomotiveEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Abstract:Accordingtotheworkingprincipleofvalve2controlledcylindersystem,thedynamicequationof

thesystemwasestablished.ByusingMATLABsoftware,thepiston.sspeed,displacementandthenitro2

genchamber.spressurevariationintheprocessofthereturnandimpacttravelwereanalyzed,andthe