基于MATLAB的液压管路动态特性的仿真.pdf

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1、液压与气动 2 0 0 3 年第 9 期 基 孑 MAT L AB帕 液压管 路动 态猫性 帕 仿鼻 张洪 T h e S i mu l a t i o n f o r t h e Dy n a mi c Ch a r a c t e r o f t h e Hy d r a u l i c P i p e Ba s e d o n MA I AB Ho n g ( 江南大学机械学院， 江苏省无锡市2 1 4 0 6 3 ) 摘要 ： 该文以液压管路 系统为研 究对象 ， 建立了系统的数 学模 型 ， 利 用 M A T I AB对其动特性进行仿真 ， 结果与实验相一致 ， 该文的仿真及建模方

2、法可作为其他液压 系统动特性研 究的借鉴 。 关键词 ： M A T I AB ； 动态特性 ： 仿真 中图分类号 ： T H1 3 7 文献标识码 ： B 文章编号 ： 0 0 0 - 4 8 5 8 ( 2 0 0 3 ) 0 9 - 0 0 2 8 - 0 3 概 述 液压系统 中， 由于某一元件的工作状态变更( 例如 阀的开度变化 、 泵 的脉动 、 泵 的开启或停 止) 或受 到外 界干扰( 例如负载 的变化等 ) 会 引起管道 中油液流动的 不稳定 ， 这个暂态 的不稳定 ， 可能会引起管道的谐振等 动态性能的变化。动特性变化 的研究主要有实验法和 计算机仿真法两种手段 。本文利用

3、无穷乘积法建立 了 管路 流体 流动数学模 型 ， 利用具 有强大功能 的 Ma t l a b 工具软件对其进行 了动态特性 的计算机仿真。 1 管路动特性的数学模型的建立 军 i 图 1 带有固定节流孔的管道 中质量 ， 霄 逼 的厚 阻 ， 油液 的压缩 性 和 管道 的弹性 变 形 也可集 中一处 ， 作 为集总参数系统处理 ， 长管道可分成 无数单元 ， 每单元均 由液阻、 液感 、 液容组成 。 如图 1所 示 ， 端面 1 1 上 的压力 、 流量分别为 P l 、 q l ， 端 面 2 _2 上压 力 、 流 量分 别 为 P 2 、 q 2 。如单 位长 度 的液 阻 、

4、液 感 、 液容各为 R h l , z 1 I I 及 C h l , 且层流 时 RlI I ：丝 ，Cl I I = A ， = ，其 中 d 、 A分别是单位长度管道 的截面 直径和面积 ， z 分别 是油液 的密 度和动力 黏度 ， 是油液 的体积弹性模量 ， 则 一 垒 巳 =冠l I I q ( ， t ) +z 1 I I ，、 一 襄= c M 一 收稿 日期 ： 2 0 0 3 - 0 3 2 0 管路系统可认为是 由液阻、 液感 、 液容元件所组合 作者简介： ( 1 9 6 6 - -) ，男， 江苏无锡人 ， 在读博士生， 主要 成的网络 ， 这些元件 的特性决定 了

5、管路 系统 的压力流 从事计算机仿真与智能控制方面的研究工作。 量关系。在短管的情 况下 ， 管路 内的油柱 可当作 一集 6结 论 本文针对气动开关位置伺服系统的控制问题进行 了理论分析和实验研究 ， 最终得出以下结论 ： 采用背压 的控制方 式可 以有效 改善被控 对象 的重复性 ， 学习算法 的应用成为可能； 采用学习控制算法 ， 系统有一定 的定位精度和 可靠性 ， 而且与 P WM方式 比较 ， 兼顾 了阀的使用寿命 及噪声 问题 ； 重新定位时系统的学 习速度快 ， 满 足工业应用 的要求 。 参考文献： 1 梁锦棠 气动技术发展动向和应用概况 J 机械开发 ， 1 9 9 r 7

6、 ( 3 ) 2 曹健， 李刚 气动位置伺服系统 中“ P WM” 控制方法 J 机 械工程师， 1 9 9 8 ( 5 ) 3 张厚祥， 宗光华 分段变结构 B a 喈 B a n g控制器在气动脉 宽调制位置伺服系统中的研究 J 机器人， 2 0 0 1 ( 6 ) 维普资讯 http:/ 2 0 0 3年第 9期 液压与气动 2 9 式 中 P及 g为管道 内流体压强和流量 的波 动量 ， 上 列 微分方程经拉氏变换 ， 初始值为零 ， 得 ： I- 7 (2 s ) p ( s ， ) ( 2 ) 一 ， J ， ， ： I- r ( s ) - I Q( s ， )( 3 ) z 、

7、 式 中传播常数 r ( s )= ， 设 r ( s ) =7 ( s ) z 为 传 播 算 子 ， z 0 ( s ) = 为 特 性 阻 抗 ， 由 此解得此二阶偏微分方程为 p 2 ( s ) =P l ( s ) c I l r ( s )一Q1 ( s ) Z o ( s ) s h r( s ) Q 2 ( s )-Ql ( s ) c h r ( s ) 一 ( s ) 2 管路的动态特性仿真 2 1 系统传递 函数的建立 管路液源 的 P l ( s ) 、 Q1 ( s ) 发 生变化 时 、 会使 负载 端的 P 2 ( s ) 、 g 2 ( s ) 发生相应 的变化

8、 ， 可 能引起系统 的 冲击 、 振动、 噪声等现象。现 以输出端带有固定节流孔 的管道为例 ， 进行仿真研究。 如图 1 所示截面 2 _ - 2处有一 固定小节 流孔流 出 的流量 q 2采用无穷乘积法时 ， 可近似简化 为 g 2 ( Z ， t ) =后 1 ( t ) +k 2 p ( Z ， t ) 因这是一个 固定节流孔 ， 所 以 ( t ) =0 ， 取拉 氏变 换得 Q 2 ( s ) =k 2 p 2 ( s ) ( 5 ) 由式( 4 ) 和式 ( 5 ) 可得管道系统 的传递函数为 s ) _后 c h r ( s ) +Z o ( s ) s h r ( s )

9、( s ) = = 1 ( 6 ) s ) _ 1 设 = z 0， B = l鲁 暑 l ， 一 = ， 厢 + ( ) 一 广 扭 (X B 鞍姗河 潮 则 r ( s ) = s ， 因 K o Z o 1 ， 传函可通过无穷乘积法得 2 0 1 0 0 - 1 0 2 0 3 0 45 0 j ； i 霉 一 4 5 9 o 1 频率 s i GI( 七 2 c h r ( s ) + k z Zo ( S ) s h r ( s ) a ) 阻抗比 频率 r a d s - 1 G 2 ( s ) = ： 而 1 b ) 压 力 比 2 0 o 0 2 0 o 馨_ 枷 堋 0 _

10、3 6 o 霉一 7 2 0 1 O 8 0 1 = c ) 流量比 图 2 各参数的影响关系I 输入输出) 鲁I 馨 O 加 O加帅帅 1 3 5 7 9 a 一 一 一 一 一一一一一 1 馨 Q p 犁罂 维普资讯 http:/ 3 0 液压与气动 2 0 0 3年第 9期 带修正因子的自组织摸糊 P I D控制在气动人工 胍肉位置控制中的应用 范伟 ， 彭光正， 高建英 。 宁汝新 A S e I f - mo d i f i e d F u z z y P )Co n t r o l l e r o f P n e u ma t i c Mu s c l e Ac t u a t o

11、 r Po s i t i o n S e r v o S y s t e m F a n We i ， P e n g G u a n g - z h e n g ， G a o J i an y i I l g ， N i n s R u x i n ( 北京理工大学 S M C北理工技术中心 ， 北京1 0 0 0 6 1 ) 摘要： 作为气动人工肌肉并联机器人关节研究的核心 内容， 首次对单支气动人工肌 肉的位置控制做深 入的研究。研究表明， 一种带修正因子的 自组织模糊控制与 P I D控制的混合控制器对单支气动人工肌 肉的 位置控制有明显的控制效果。 关键词 ： 气动人工肌 肉；

12、位置控制 ； 修正 因子 ； 自组织模糊控制 ； 模糊 P I D混合控制 中图分类号： T P 2 4 2 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 0 -4 8 5 8 ( 2 0 0 3 ) 0 9 d 3 0 3 0 - 0 4 1引言 气动人 工肌 肉( 以下简称 为 P MA) 是一 种新型 的 收缩型气 动执行器 ， 它重量轻 ， 输 出力大 ， 柔顺性好 ， 在 机器人驱动器研究领域里具有广泛 的应用前景 ， 因此 ， 近年来针对 P M A的研究方兴未艾 ， 人们 花了大量的精 力对它作建模和应用 ， 取得 了很 多研究成果 。总结起 来， 由于 P M A很强的非线性和时滞

13、性 3 I ， 研究者只 能构筑 P MA的模型 近似 ， 无 法总结 出准确 的模 型描 收稿 日期 ： 2 0 0 3 - 0 3 - 2 4 作者简介： 范伟( 1 ) ， 男 ， 重庆人 ， 博士生， 主要从事气动 技术 在机器人方 面的应用研 究 。 1 S - (+ 2 + ： l G 2( 习 1 1 Ln (+ 2 + l n=、 - ， 2 2系统性 能 分析 对于 J D R e g e t s的实 验装 置 ， 已知 B= Z o= 1 5 5 5 ， T e =1 c=0 0 1 7 6 s ， 其 中 c为光速 ， 由 MA T L A B 软件编程仿真得如 图 2所

14、示各参数 的影响关系 ( 1 )对于传 函中 7 , =0 ， 1 ， 3 ， 5的管路系统 ， 如 图所 示 ， 在管路长度一定的情况下 ， 液源的压力 、 流量波动频 率会分别影响到负载 的压力 、 流量。当液源 的压力 、 流 量波动频率达 1 8 5 1 1 2L 8 附近时 ， 负载的压力、 流量开始 减小 ， 频率越高 ， 减小值越大 ， 系统阶次越大 ， 减小越快。 这与实际情况基本相符 ， 油液虽然是属 不可压缩性流 体， 但实际上它还是有一定 的( 虽然是极小 的) 压缩性 ， 由于压强的变化 ， 油液可象弹簧那样存储或释放能量。 ( 2 )进一步仿真可 以发现负载阻抗 与液

15、源阻抗 的 比值和系统产生谐振直接相关， il , 取不 同的值时， 都会 在 1 0 0 i l d $ 频率点附近产生谐振 ， 且在 1 0 0 i l d $ 频率 范围以内各幅、 相频特性基本一致 ， 当系统频率在此范 围内时， 可用 il, = 0的简化传函研究系统特性， n取值越 大 ， 产生谐振的频率点越多， 对系统特性的描述越精确。 ( 3 )液压 系统 的振 动来源于压 强和流量 的波动 ， 与管路 系统本身和负载有关 ， 与油液的物理性质有关。 3 结束语 此管路系统动特性的计算机仿真结果与实验结果基 本一致 ， 证明了此仿真方法是可行 的， 同时借助于 M盯 L A B软件的强大功能 ， 能大大缩短研究工作的进程和减 少费用 ， 可以作为其他液压 系统动特性研究的借鉴。随 着计算机软硬件技术的加速发展 ， 计算机仿真作为动特 性研究的一种手段在许多领域得到了广泛的应用。 参考文献： 1 盛敬超 液压流体力学 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 1 9 8 o 2 张志涌 精通 N A I I AB 5 3版 M 北京： 北京航空航天大 学 出版社 ， 2 O 0 0 3 黄忠霖 控制系统 N A T I AB计算及仿真 M 北京： 国防工 业 出版社 。 2 0 0 1 维普资讯 http:/