含有蓄能器的液压伺服系统动态特性仿真设计

　　摘要:该文以一类常见的电动液压能源为对象，建立了含有蓄能器的电动液压能源的仿真模型，并对能源的启动特性以及负载工作所要求的多种信号的跟踪能力进行了仿真分析。

　　关键词:液压;伺服系统;蓄能器;设计

　　0引言

　　航天用液压伺服系统的质量、体积有着严格限制，而对能源系统的功率需求呈上升趋势，工作时间也在不断加长。伺服系统实际工作在近似绝热状态，因此单纯增大一次能源的功率储备和工作时间都面临着严重的发热问题。分析伺服系统实际功率需求，峰值功率需求往往持续时间很短，最大负载力矩和最大负载速度通常并不同时出现。因此小功率电动液压能源通常采用蓄能器，依靠蓄能器提供峰值功率和流量，具有简单、可靠，容易并联使用等优点;在设计合理的情况下，可以大幅度降低系统发热和对一次能源的功率需求，因此建立反映蓄能器和能源系统压力流量特性的动态仿真模型，并据此对系统要求的各种动态信号的能力进行考核和分析，对能源和整个伺服系统的参数设计和特性优化会有很大的帮助。

　　1蓄能器的数学模型

　　充气式蓄能器理想气体的状态方程:蓄能器在工作时，压力从p1降到p2时，能够输出的油液体积ΔV:ΔV=V0p1/n0[(1/p2)1/n-(1/p1)1/n]蓄能器动态特性的数学模型则为QA=(VA/KA)(dpA/dt)式中pA———蓄能器内气体压力;QA———蓄能器输出流量;KA———蓄能器内气体的弹性模量，KA=npAO;pAO———蓄能器内气体压力的稳态值;VA———蓄能器内气体体积的稳态值。

　　2数学仿真

　　以某伺服系统配套电动液压能源的设计为例，完成方案设计伺服系统的基本参数。

　　2.1能源启动特性的仿真计算

　　建立仿真模型:模型进行了简化:(1)蓄能器简化为初始状态的积分环节;(2)恒量泵依据100℃时的额定流量简化为恒流源，电机和油泵的动态用时间常数为0.1s的惯性环节表示;(3)2台作动器的泄漏量总计0.8L/min，用一个负的恒流源表示;(4)溢流阀简化为一个条件开关，其动特性简化为0.1MPa的滞环。额定情况下能源的建压时间小于3s。

　　2.2含有蓄能器的液压伺服系统动态特性仿真计算

　　为了考核系统工作压力在持续大流量输出时的变化情况，全面仿真系统的动态跟踪能力。为了能够反映能源压力与伺服阀流量间的关系，对作动器模型进行处理:(1)只考虑伺服阀的压力输出特性，其上限为电动液压能源的蓄能器压力;(2)伺服阀的额定压力增益为2MPa/mA。

　　2.3仿真结果分析

　　在负载条件下，液压伺服系统启控后1s内，作动器以40°/s的最大速度往复一次运动并伴有一定高频运动。电动液压能源的功率能够保证跟踪。泵的输出功率:WO=pO×QO×η=0.94kW驱动负载所需的最大瞬时功率:WO=N×ω=2.3kW蓄能器提供了56%以上的瞬时功率，使用效果是明显的。

　　3试验验证

　　为验证含有蓄能器的液压伺服系统动态特性仿真结果，选用了3套0.95kW的小功率电动液压伺服系统，按仿真计算情况分别给2台作动器加±0.5°/4Hz正旋信号、±0.5°/8Hz正旋信号、3°/0.25Hz方波信号，监测系统压力并分析。通过数学仿真测试和产品的实际测试数据对比，可以看出两者数据接近，验证了数学仿真模型的有效性。

　　4结论

　　蓄能器作为可提供瞬时功率的储能元件，能够大幅度降低对伺服系统一次能源的功率需求，有助于减小系统发热。在对含有蓄能器的伺服系统进行动态分析时，作动器的跟踪能力和能源的压力流量特性之间具有密切的关系，应结合指令信号综合考虑。因此，建立适当的动态仿真模型有助于更准确地对能源的功率储备进行分析和评估。

　　参考文献

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