液压仿真技术的应用与发展

程安宁

(西安科技大学 , 西安 710054)

摘要

本文以液压伺服系统的动态特性为例

介绍了仿真技术及其在液压领域的应用、国内外研究简况

并讨论了现

代液压仿真技术及其可能的发展趋势。

关键词

计算机仿真

;

液压系统

中图分类号

: TH137

　　文献标识码

: B

　　文章编号

: 1001 - 3881 (2004) 5 - 009 - 2

1 　液压伺服系统与动态特性

液压伺服系统是一门新兴的科学技术。它不但是

液压技术的一个重要分支

而且也是控制领域中的一

个重要组成。早在第一次世界大战前

液压伺服控制

就开始应用于海军舰艇中的操舵装置。第二次世界大
战前后

武器和飞行器控制系统的研究得到进一步的

发展。液压伺服控制因响应快、精度高和功率

重量

比大等特点而受到特别的重视。特别是近几十年

由

于整个工业技术的发展

促使液压伺服控制得到迅速

发展。使这门技术无论在元件和系统方面

还是在理

论与应用方面都日趋完善和成熟

形成一门新兴的科

学技术。

机械液压伺服系统由机械反馈装置和液压动力

元件组成

液压动力元件

(

或称液压动力机构

)

又由

液压放大元件

(

液压控制元件

)

和液压执行元件组成

的。其中放大元件将偏差信号放大

转换成液压信号

(

流量或压力

) ;

而执行元件实现调节。机械反馈装置

将系统的输出转化为反馈信号加于输入端

以减小系

统的加工误差。

一个比较完善的液压系统不仅应有良好的静态

性能

而且还应具有良好的动态性能。这是因为系统

中执行元件的速度、动作和方向以及外界载荷经常在
不断变化

如果系统的动态特性不灵敏

则反馈信号

就无法被系统很快执行

造成系统灵敏死区、动作死

区等

这样被加工出来的零件精度就会降低。

以前人们在研究和设计时

常常凭借设计者的知

识和经验用真实的元部件构成一个动态系统

然后在

这个系统上进行实验

研究结构参数对系统动态特性

的影响。用这种方法进行参数调节比较困难

要花费

大量的人力、物力和时间

而且一次成功的把握很

小。

2 　仿真技术在液压领域的应用

随着科学技术的发展

特别是计算机技术的发

展

利用计算机作为工具来研究实际系统的动态特性

已成为可能。在计算机上进行实验

研究实际物理系

统的各种工作状况

确定最佳参数匹配

这就是计算

机仿真。

仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及

其应用领域有关的专业技术为基础

以计算机和各种

物理效应设备为工具

利用系统模型对实际的或设想

的系统进行实验研究的一门技术。它综合了计算机、
网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自
动控制等多个高新技术领域的最新成就

不仅可以用

于产品或系统的性能测试

而且可以用于产品研制开

发的整个过程及由多个系统综合构成的复杂系统。

根据仿真时所运用的计算机类型的不同

仿真可

分为模拟仿真、数字仿真、数字

模拟混合仿真和微

机列阵组成的全数字式仿真。模拟仿真是以模拟计算
机为主要工具

对系统的模拟进行运算和研究

;

数字

仿真是以数字计算机为主要工具

基于数值计算的原

理对系统的数学模型进行数值求解

以实现对系统分

析和研究。数字仿真的过程大致为

建立物理系统的

数学模型、建立仿真模型、编制仿真程序、输出仿真
结果。其中建立数学模型的方法有传递函数法和状态
空间法等。

仿真技术在液压领域的应用主要包括

(1)

通过理论推导建立已有液压元件或系统的数

学模型

用实验结果与仿真结果进行比较

验证数学

模型的准确度

并把这个数学模型作为今后改进和设

计类似元件或系统的仿真依据。

(2)

通过建立数学模型和仿真实验

确定已有系

统参数的调整范围

从而缩短系统的调试时间

提高

效率。

(3)

通过仿真实验研究测试新设计的元件各结构

参数对系统动态特性的影响

确定参数的最佳匹配

提供实际设计所需的数据。

(4)

通过仿真实验验证新设计方案的可行性及结

构参数对系统动态性能的影响

从而确定最佳控制方

案和最佳结构。

3 　国内外研究简况

早在

世纪

年代

, Hanpun ( 1953 )

和

Nightingale (1957)

就进行了液压伺服系统的动态性

能分析。那时采用的是传递函数法

一般只分析系统

的稳定性及频率响应。这种方法只能用在单输入

单

输出的线性定常系统中

不足以描述系统内部的各变

量的特征

也不易处理液压系统中普遍存在的非线形

问题。

年代初期

国外开始进行液压系统和元件

的计算机数字仿真研究

但仅能进行动态性能的数字

・

《机床与液压》

2004