机电系统建模与仿真课件.ppt

1、机电系统建模与仿真内容提要0-11.系统建模与仿真概述系统建模与仿真概述2.模型与建模模型与建模3.仿真及其分类仿真及其分类4.仿真研究步骤仿真研究步骤5.系统仿真的特点系统仿真的特点6.数字仿真程序数字仿真程序机电系统建模与仿真内容提要0-27.采煤机模化试验采煤机模化试验实验模型实验模型8.新型掘进工作面临时支架新型掘进工作面临时支架-建模与仿真建模与仿真9.液压支架液压支架-建模与仿真建模与仿真10.10.专题讲座专题讲座-功率键合图法建模功率键合图法建模11.11.机械液压系统专题讲座（许步勤教授）机械液压系统专题讲座（许步勤教授）12.作业作业机电系统建模与仿真作业1.举例说明系统建

2、模与仿真的作用和意义.2.论述系统仿真的类型和特点.3.以实例说明仿真研究的步骤.4.结合所学专业,选择课题中的实际机电系统,建立其模型,并进行仿真研究.通知1、2008，2009级硕士研究生星期日上午9时在北区教学主楼1703教室上课2、2008级硕士研究生快速完成作业(用研究生专用纸），在2010年10月25日前交给吴娟老师；1.电系统建模与仿真概述电系统建模与仿真概述1-1 机电系统三大问题：机电系统三大问题：已知输入（激励）和系统特性（动态特已知输入（激励）和系统特性（动态特性或数学模型）求响应预测问题性或数学模型）求响应预测问题仿真；仿真；已知输入和输出，求系统特性，此为系已知输入和

3、输出，求系统特性，此为系统识别问题；统识别问题；已知输出和系统特性，求输入，此为载已知输出和系统特性，求输入，此为载荷识别问题；荷识别问题；建模与仿真专题讲座功率键合图一、作用二、构成与符号三、建模与仿真四、应用实例一、功率键合图的作用及优点功率键合图的作用及优点1 作用：表示系统中的功率流程。在研究液 压系统的动态特性时，表示系统在各种作用元（因素）的作用下，功率的流向、汇集、分配和能量转换等。2、优点优点a 功率键合图对功率流描述上的模块化结构 与系统本身各部分物理结构及各种动态影响因素之间具有直观而形象的一一对应关系。b 与系统动态数学模型即状态方程之间又存在着严格的逻辑上的一致性，可根

4、据系统的功率键合图有规律地推导出相应的数学模型。二、功率键合图的构成与符号二、功率键合图的构成与符号1、功率键、功率键（Power Bonds)m、f、p、ue feeffort力变量力变量fflow流变量流变量w、v、q、I2、键间联系、键间联系a.o结点结点相当于并联电路中的节点。该 节点周围具 有相等的电压值，而输入电流值等于输出 的电流值即在该节点上输入、输出电流的 代数和为零。p2q2p3q3p1q1pp1q1p3q3p2q2op1=p2=p3q1-q2-q3=0用用o结点表示三通管路结点表示三通管路b.1结点结点相当于一个串联电路，在该节点上电流相等，而上流的电压值等于下流的电压值

5、加上该电 路中的电压损耗值，即电压的代数和为零。p1p3p=p2q1p2q21p1q1p3q3p1=p2+p3q1=q2=q3=q用用1结点表示带有液阻的管路结点表示带有液阻的管路c.变换器变换器TF(transformer)TF是一种能量变换器 用于不同类 型能量之间的转换；或同类型能量 之间的转换。e1f1e2f2TF:me1m=e2f2=f1/m表示形式：d.旋转器旋转器GY(gyrator)当在功率键合图中需要表示感应电动机的 作用时，可以用旋转器。表示形式：e1f1e2f2GY：me1m=f2f1/m=e23、作用元、作用元 a.阻性元 R机械摩擦、液阻、电阻；b.容性元 C 弹簧、

6、液容、电容；c.感性元 I 质量、液感、电感。efefRefCI作用元符号：作用元符号：表表11、外界输入的功率元、外界输入的功率元 在外界输入的功率中，构成功率的两个参量，往在外界输入的功率中，构成功率的两个参量，往往其中之一是已知量，另一个则受系统中各因素往其中之一是已知量，另一个则受系统中各因素的影响而为变量。的影响而为变量。a.力源（力源（effortsource)力是已知的，用力是已知的，用Se表示；表示；b.流源（流源（flowsource)流是已知的，用流是已知的，用Sf表示。表示。efefSeSf5、功率键合图上因果关系及标注规则、功率键合图上因果关系及标注规则 a.因果关系因

7、果关系 对于外界输给系统的功率，其中往往只知道一个对于外界输给系统的功率，其中往往只知道一个变量（力变量或流变量），而另一个变量则由系变量（力变量或流变量），而另一个变量则由系统中各统中各因素的共同作用决定其量值。因素的共同作用决定其量值。同理对于系统中的任一作用元来讲，其功率键上同理对于系统中的任一作用元来讲，其功率键上的力变量的力变量e和流变量和流变量f中，也有一个变量是以自变中，也有一个变量是以自变量的形式输给该作用元，而另一个变量则是因该量的形式输给该作用元，而另一个变量则是因该作用元的作用而以因变量的形式反馈回系统。作用元的作用而以因变量的形式反馈回系统。b.标注规则标注规则 决定功

8、率键合图中功率键合图上两变量因果关系决定功率键合图中功率键合图上两变量因果关系的原则，是要便于建立起系统的数学模型状态的原则，是要便于建立起系统的数学模型状态方程，以及这种数学模型便于在计算机上求解。方程，以及这种数学模型便于在计算机上求解。各功率元的因果线标注请参考表各功率元的因果线标注请参考表12、表、表13。表表12表表13功率键合图中常见的符号功率键合图中常见的符号三、建模与仿真三、建模与仿真 液压系统的仿真研究首先要建立系统的状态方程，功 率键合图是建模的有力工具。从功率键合图推导状态方程的步骤：1、与作用元有关；2、与键合图中因果线的某些问题有关；3、与系统中的时变非线性因素及某些

9、软参量有关。从功率键合图推导状态方程从功率键合图推导状态方程1、确定状态变量和输入变量 功率键合图中，C元、I元有导数或积分关系，故取C 元的流变量f，I元的力变量e作为状态变量。C作用元：vdtcf1qdtcp1idtcu1Xc1Vc1Qc1位移体积电荷FdtIv1pdtIq1udtIi1PI1PI1PI1I作用元：动量动量动量为了便于建立状态方程，可以取C元和I元功率键上自变量对时间的积分为状态变量。即取：液体体积V，运动件的位移X，固体或液体的动量P为状态变量。这些状态变量的一阶导数即为原来的自变量。这样，原来C元、I元功率键上两个变量之间的积分关系就转化为状态变量和原来因变量之间的代数

10、关系。qv vx fp pP 2、以直动式溢流阀调压系统的功率键合图为例，以直动式溢流阀调压系统的功率键合图为例，说明推导状态方程的步骤说明推导状态方程的步骤R泄泵的泄漏液阻C管泵至阀管道的液容R孔阻尼孔液阻R节调压节流阀液阻R阀阀口液阻I阀阀芯惯性元C弹弹簧柔度直动式溢流阀的结构图直动式溢流阀的结构图功率键合图功率键合图 第一步：第一步：画出功率键合图画出功率键合图第二步：写出功率键合图中储能元件上原来的因第二步：写出功率键合图中储能元件上原来的因变量之间的关系变量之间的关系12121PIV阀12111xCF弹221vCP管第三步：应用键合图的规则及其变量间的逻辑关系，将第三步：应用键合图的

11、规则及其变量间的逻辑关系，将各状态变量的一阶导数（相当于原来的自变量）各状态变量的一阶导数（相当于原来的自变量）推导成储能元功率键上的因变量及输入变量的代推导成储能元功率键上的因变量及输入变量的代数或函数关系。数或函数关系。孔孔孔RAVqRpqARApFSppAFSApFFFFPee1277721176118111091212)(12282226543122121111)111(AvpRRRSqRpRpRpSqqqqqqvvvxff阀节泄阀节泄状态变量表达式中变量包括：储能元功率键上的因变量 P2 V12 F11 输入变量 Se Sf 阻性作用元 R泄 R节 R阀 R孔 第四步：消去储能元功率

12、键上的因变量，第四步：消去储能元功率键上的因变量，得到状态方程。得到状态方程。状态方程与功率键合图的物理意义是一致的。状态方程与功率键合图的物理意义是一致的。动态仿真动态仿真仿真说明与程序清单仿真说明与程序清单标准形式的标准形式的A（1）=Y（21）A（2）=Y（22）A（3）=Y（2）RETURNEND直动式溢流阀调压系统的仿真曲线直动式溢流阀调压系统的仿真曲线四、应用实例4.1 液压可控闸设计与试验研究4.2 大流量先导式溢流阀动态特性仿真分析4.3 液压波动激振模拟实验系统仿真研究 利用功率键合图和MATLAB进行液压系统的数字仿真，不仅可以对液压系统的动态特性进行仿真分析，还可以通过改

13、变仿真条件对液压系统的工作过程进行仿真试验。（1）功率键合图全过程的代表性（2）关于功率的流向（3）功率键合图中各变量的关系（4）MATLAB仿真程序的选择（5）MATLAB仿真算法的选择用键合图和MATLAB进行数字仿真应注意的几个问题：4.1 液压可控闸设计与试验研究4.1 液压可控闸阀设计与试验研究0101TFA11123567111213141516172018192223RbI闸FSeI阀芯RxRfC1RdRkC2（溢流阀）（闸阀）89104121TFA3TF A2CtC30Qp101PxI阀心261210110211/ketVxxPA R PCASCC 15221832323VVx

14、PAAFCC610615461112111()xfdVPVVxVQARRCICCR阀芯（615185152121()dVVPxVACCRI闸182262233()bPVxVAIR C闸 4.1 液压可控闸设计与试验研究时间（s）泵控油缸系统压力 闸阀开启前水压对泵控系统开启压力影响较大；开启后由于两侧压力平衡，水压对泵控系统开启压力影响不是很大。4.2大流量先导式溢流阀动态特性仿真分析先导式溢流阀工作原理键合图模型911091PxvvI阀22221222PxvvI阀2213213912291121eRvvxxPAAAPSCCCI孔弹阀11324223222evxxPASSCC弹91322251

15、112111111111(+fPvvvxvASRRRCIRCRC 泄孔孔节阀阀）13139222136321221121111vvPvPxvAARCRCRCII孔孔阀阀2阀压力响应曲线 先导式溢流阀主阀位移曲线 溢流阀中阀体阻尼孔对其特性的影响分析：（a）R1=2.063e8 （b）R1=2.063e9（c）R1=2.063e10 （d）R1=2.063e11 改变阀体上阻尼孔参数值的仿真曲线 一般的分析认为，这种结构的先导式溢流阀的阀体上阻尼孔的作用主要为在油液流过阻尼孔之后，当先导腔的压力达到系统调定的压力之后，先导阀芯开启，油液经过阀体上的阻尼孔时有压力损失，使主阀芯上、下腔产生压力差，

16、在压力差的作用下主阀芯开启溢流。结果分析 从仿真曲线可以明显的看出，当该阻尼孔的液阻值R12.063e8时，系统压力开始波动；当液阻值大于2.063e11时系统的超调量减小，但过度过程明显延长，不适合液压系统的快速响应的要求。R1=2.063e10为阀体上阻尼孔的正常液阻值，也是进行溢流阀设计时的推荐值。（a）R2=1.66e9 （b）R2=1.66e10 主阀芯上阻尼孔（R2）对溢流阀特性的影响（c）R2=1.66e11 （d）R2=1.66e12 改变阀芯上阻尼孔参数值的仿真曲线 结果分析 通过仿真，我们发现，当液压系统流量较小的时候，主阀芯上的阻尼孔对系统的特性影响不大，而当流量较大时，

17、该阻尼孔的液阻值对溢流阀的特性有明显影响，这也就是在实际应用中小流量的溢流阀阀芯上不开阻尼孔而大流量的溢流阀有阻尼孔的原因。从仿真曲线还可以看出，当阀芯上阻尼孔的液阻值R21.66e9时，压力开始波动；而随着液阻值的增大，系统压力的稳定性增加，但过渡过程也延长。R2=1.66e10为阻尼孔的正常液阻值，也是进行溢流阀设计时的推荐值。4.3 液压波动激振模拟实验系统仿真研究液压波动激振模拟实验系统力源键合图模型流源键合图模型 键合图模型状态方程4111114121111()()bkkVVVPVPRVCRVI1211PPVAII2322PPVAII241442141411()()kvPVVVVSe

18、IRVCRC11211112VPVPRCICPxI321223VVxPPARACCIC32422324VPVPRCIC241421411()fkPVVVSIRVC力源模型流源模型力源模型的仿真试验力源模型的仿真试验（1）阻尼系数对系统振幅的影响（2）激振频率对振幅的影响（3）系统各振动参数间及与系统参数间的关系仿真曲线流源模型的仿真试验流源模型的仿真试验仿真研究结果分析仿真研究结果分析（1）通过力源键合图模型的仿真，可以了解液压波动激振系统在不同输入压力和频率时的振动输出响应情况；同时可以了解液压波动激振系统中其它各个参数的变化规律及其相互关系。压力越大，振动输出的振幅越大。（2）从液压管路中压力和流量的变化规律曲线可以进一步证明本论文第二章中提出的液压波动激振机理，即液压管路中周期性压力波的产生是由于管路中流量发生波动而引起的，流量波动的相位要超前压力波的相位90度。（3）从仿真得出的压力和流量曲线，可以分析该新型液压波动激振装置的工作机理。（4）通过流源键合图模型的仿真，可以了解液压波动激振系统在不同输入流量和频率时的振动输出响应情况；同时可以了解此时液压波动激振系统中其它各个参数的变化规律及其相互关系。通知1、2008，2009级硕士研究生星期日上午9时在北区教学主楼 1703教室上课2、2008级硕士研究生快速完成作业，在2010年10月25日前交给吴娟老师；THEEND