含有蓄能器的液壓伺服系統動態特性仿真設計

　　摘要:該文以一類常見的電動液壓能源為對象，建立了含有蓄能器的電動液壓能源的仿真模型，并對能源的啟動特性以及負載工作所要求的多種信號的跟蹤能力進行了仿真分析。

　　關鍵詞:液壓;伺服系統;蓄能器;設計

　　0引言

　　航天用液壓伺服系統的質量、體積有著嚴格限制，而對能源系統的功率需求呈上升趨勢，工作時間也在不斷加長。伺服系統實際工作在近似絕熱狀態，因此單純增大一次能源的功率儲備和工作時間都面臨著嚴重的發熱問題。分析伺服系統實際功率需求，峰值功率需求往往持續時間很短，最大負載力矩和最大負載速度通常并不同時出現。因此小功率電動液壓能源通常采用蓄能器，依靠蓄能器提供峰值功率和流量，具有簡單、可靠，容易并聯使用等優點;在設計合理的情況下，可以大幅度降低系統發熱和對一次能源的功率需求，因此建立反映蓄能器和能源系統壓力流量特性的動態仿真模型，并據此對系統要求的各種動態信號的能力進行考核和分析，對能源和整個伺服系統的參數設計和特性優化會有很大的幫助。

　　1蓄能器的數學模型

　　充氣式蓄能器理想氣體的狀態方程:蓄能器在工作時，壓力從p1降到p2時，能夠輸出的油液體積ΔV:ΔV=V0p1/n0[(1/p2)1/n-(1/p1)1/n]蓄能器動態特性的數學模型則為QA=(VA/KA)(dpA/dt)式中pA———蓄能器內氣體壓力;QA———蓄能器輸出流量;KA———蓄能器內氣體的彈性模量，KA=npAO;pAO———蓄能器內氣體壓力的穩態值;VA———蓄能器內氣體體積的穩態值。

　　2數學仿真

　　以某伺服系統配套電動液壓能源的設計為例，完成方案設計伺服系統的基本參數。

　　2.1能源啟動特性的仿真計算

　　建立仿真模型:模型進行了簡化:(1)蓄能器簡化為初始狀態的積分環節;(2)恒量泵依據100℃時的額定流量簡化為恒流源，電機和油泵的動態用時間常數為0.1s的慣性環節表示;(3)2臺作動器的泄漏量總計0.8L/min，用一個負的恒流源表示;(4)溢流閥簡化為一個條件開關，其動特性簡化為0.1MPa的滯環。額定情況下能源的建壓時間小于3s。

　　2.2含有蓄能器的液壓伺服系統動態特性仿真計算

　　為了考核系統工作壓力在持續大流量輸出時的變化情況，全面仿真系統的動態跟蹤能力。為了能夠反映能源壓力與伺服閥流量間的關系，對作動器模型進行處理:(1)只考慮伺服閥的壓力輸出特性，其上限為電動液壓能源的蓄能器壓力;(2)伺服閥的額定壓力增益為2MPa/mA。

　　2.3仿真結果分析

　　在負載條件下，液壓伺服系統啟控后1s內，作動器以40°/s的最大速度往復一次運動并伴有一定高頻運動。電動液壓能源的功率能夠保證跟蹤。泵的輸出功率:WO=pO×QO×η=0.94kW驅動負載所需的最大瞬時功率:WO=N×ω=2.3kW蓄能器提供了56%以上的瞬時功率，使用效果是明顯的。

　　3試驗驗證

　　為驗證含有蓄能器的液壓伺服系統動態特性仿真結果，選用了3套0.95kW的小功率電動液壓伺服系統，按仿真計算情況分別給2臺作動器加±0.5°/4Hz正旋信號、±0.5°/8Hz正旋信號、3°/0.25Hz方波信號，監測系統壓力并分析。通過數學仿真測試和產品的實際測試數據對比，可以看出兩者數據接近，驗證了數學仿真模型的有效性。

　　4結論

　　蓄能器作為可提供瞬時功率的儲能元件，能夠大幅度降低對伺服系統一次能源的功率需求，有助于減小系統發熱。在對含有蓄能器的伺服系統進行動態分析時，作動器的跟蹤能力和能源的壓力流量特性之間具有密切的關系，應結合指令信號綜合考慮。因此，建立適當的動態仿真模型有助于更準確地對能源的功率儲備進行分析和評估。

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