基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模方法

摘要

本发明涉及电液伺服阀仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模方法，其包括如下步骤：1)系统拆解；2)元件级建模；3)子系统级建模；4)系统级建模；5)仿真控制；6)仿真结果演示；本发明利用Modelica语言的多领域性、非因果性与面向对象性，进行二次开发，得到的电液伺服阀仿真模型可以如实地反映电液伺服阀的工作情况与特性，并且可以将其代入电液伺服系统进行进一步的系统分析与设计，可以为伺服研究及工作人员提供出色的分析工具与分析手段。

说明书

[技术领域]

本发明涉及电液伺服阀仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模方法。 

[背景技术]

在实际的生产实践中，混凝土泵送车与汽车式起重机等工程机械需要实现一定的控制精度及动态性能，而传统的液压系统缺少对液压执行元件的过程控制，因而无法实现较高的控制精度与优秀的动态性能。因此，在现有的液压系统中引入可以实现过程控制的电液元件来实现较高控制精度与较好动态性能是十分必要的。使用实现过程控制的电液元件，即电液伺服元件的控制方法称为电液伺服控制，作为伺服控制的一个分支，其可以出色地满足工程机械领域对控制精度与动态性能的要求。 

伺服系统，即输出能以一定精度自动、快速、准确地复现输入变化规律的自动控制系统；电液伺服控制系统即采用电液控制元件以及液压执行元件所组成的伺服系统。电液伺服阀作为将系统的电气部分与液压部分联系起来的接口元件，能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号输出，进而对液压执行元件实现控制，是电液伺服控制系统的重要组成部分。 

在混凝土泵送车与汽车式起重机的系统搭建中，液压系统占据了很大部分。但Modelica语言的商业液压系统库Hylib中，并没有对伺服阀这一重要元件进行建模，而且对于方向伺服控制阀，也回避了电液伺服阀电、磁、机、液、控多领域耦合的特点，仅使用了信号流控制的简单模型。这首先不利于复杂液压 系统的建模设计，其次没有突出Modelica多领域建模语言在处理多领域耦合问题的优越性。因而，对于电液伺服阀这一电、磁、机、液、控多领域耦合的元件的Modelica建模的研究，有助于Modelica液压控制库的扩展与工程机械库的充实，进而实现对工程机械液压控制系统的高精度仿真与优化建模设计。 

早期的伺服阀建模是利用联立方程组的方式进行建模的。随着控制理论的发展，出现了使用控制框图与信号流进行因果建模的分析手段，如附图1，该手段成为了研究电液伺服阀的建模与控制的通常方法，该方法在Herbert E.Merritt的《Hydraulic Control Systems》一书及田源道先生在《双喷嘴挡板式力反馈电液伺服阀的数字仿真及CAD设计程序》中均有所阐述。该方法是一种非常成熟的建模方法。但是，使用因果性控制框图建模方法存在着一定的不足，例如不能从底层元件出发反映电液伺服阀的工作原理与数学模型，在框图建立时需要考虑各物理量的计算因果性，不易于修改及更换元件，基本元件在不同电液伺服阀的建模中无法重用，伺服阀的控制框图模型不易于代入整体的液压伺服系统进行分析等。 

因此传统的电液伺服阀存在如下缺陷：分析手段不能从底层元件出发反映电液伺服阀的工作原理与数学模型，在框图建立时需要考虑各物理量的计算因果性，不易于修改及更换元件，基本元件在不同电液伺服阀的建模中无法重用，伺服阀的控制框图模型不易于代入整体的液压伺服系统进行分析。 

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模方法，具有面向对象性、非因果性以及多领域性，对现有的电液伺服阀分析手段进行了整合与革新。 

为实现上述目的设计一种基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模方法，其包括如下步骤： 

1)系统拆解：首先将电液伺服阀系统进行分解，得到子系统，进而对得到的子系统进行分解，得到元件； 

2)元件级建模：针对分解得到的基本元件进行建模分析，搭建电场、磁场、机械、液压与控制领域的不包含在Modelica基本库、Magnetic库与Hylib库中的基本元件，所述电场、磁场、机械、液压与控制领域之间由搭建的接口元件相关联； 

3)子系统级建模：利用元件级建模得到的元件，以及Modelica基本库、Magnetic库、液压系统库Hylib中的元件，对电液伺服阀的子系统进行搭建； 

4)系统级建模：利用子系统级建模得到的子系统搭建完整的电液伺服阀系统； 

5)仿真控制：将完成建模的电液伺服阀模型设定仿真参数、步长与时间进行编译仿真； 

6)最后，仿真结果演示。 

所述子系统包括力矩马达、喷嘴挡板放大器、阀芯、反馈杆与阀体。 

所述力矩马达子系统分解为定子子系统、衔铁子系统。 

所述接口元件包括Modelica基础库、Magnetic库与Hylib库中接口元件、元件级建模中开发的平动转动接口、气隙、喷嘴与正负阀开口元件。 

本发明有益效果：利用Modelica语言的多领域性、非因果性与面向对象性，进行二次开发，得到的电液伺服阀仿真模型可以如实地反映电液伺服阀的工作情况与特性，并且可以将其代入电液伺服系统进行进一步的系统分析与设计， 可以为伺服研究及工作人员提供出色的分析工具与分析手段。 

[附图说明]

图1是传统的电液伺服阀分析方法示意图； 

图2是本发明的结构框图示意图； 

图3是本发明的分析过程示意图； 

图4是平动转动接口元件示意图； 

图5是气隙元件示意图； 

图6是喷嘴元件示意图； 

图7是正负阀开口元件示意图； 

图8是定子子系统示意图； 

图9是衔铁子系统示意图； 

图10是喷嘴挡板放大器子系统示意图； 

图11是阀芯子系统示意图； 

图12是反馈杆子系统示意图； 

图13是阀体子系统示意图； 

图14是电液伺服阀系统示意图； 

图15是建模得到的电液伺服阀应用在电液伺服系统设计中的示意图。 

图16是电液伺服阀系统的响应曲线示意图。 

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明： 

如附图1所示，为传统的电液伺服阀分析方法，该使用框图的分析方法无法如实反映电液伺服阀的结构特点，参数修改不便，且不易代入伺服系统进行整体的设计与分析。 

如附图2、图3所示，附图2为本发明的基本分析原理，针对Modelica语言的面向对象性，对系统进行有针对性的分解，使用建模完成的元件进行系统搭建。附图3为本发明的分析过程，将完成建模的电液伺服阀模型设定仿真参数、步长与时间进行编译仿真，进而得到2D曲线与3D动画，从而为工程应用提供参考。 

本发明基于Modelica语言的电液伺服阀仿真建模步骤包括：系统拆解、元件级建模、子系统级建模和系统级建模。其基本分析原理包括自上而下的系统分解与自下而上的系统搭建。首先将电液伺服阀系统进行分解，得到若干子系统；进而对得到的子系统进行分解，得到不同领域的元件。针对分解得到的基本元件进行建模分析之后，使用其搭建成电液伺服阀子系统，进而使用搭建得到的子系统组建完整的电液伺服阀系统。对于电液伺服阀系统而言，可以分为：力矩马达、喷嘴挡板放大器、阀芯、反馈杆与阀体等子系统，每个子系统内部可以分解出电场、磁场、机械、液压与控制等领域的基本元件。 

对于元件级建模，Modelica基本库与其他商业或非商业库提供了一些可以直接使用的基本元件，对于电液伺服阀的特殊性，其他不包含在Modelica基本 库及商业库或非商业库中的元件，可以通过自行开发得到。针对电场、磁场、机械、液压与控制等领域的基本元件，本发明使用Modelica基本库、Magnetic库与液压系统库Hylib三个库中的电场、磁场、机械、液压与控制领域基本元件，同时针对电液伺服阀的多领域特性自行开发元件。对于多领域建模，其关键问题在于多领域之间的接口元件，针对电液伺服阀的特性及领域之间的转换关系，编写了平动转动接口、气隙、喷嘴与正负阀开口元件(如附图4-图7)。 

利用元件级建模得到的元件与Modelica基本库、Magnetic库与液压系统库Hylib中的元件，对电液伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板放大器、阀芯、反馈杆与阀体进行系统搭建，其中为了分析方便，将力矩马达子系统分解为定子与衔铁两个子系统(如附图8-图13)。 

如附图4所示，为平动转动接口元件。Modelica基本库中的机械运动包中包含有计算空间问题的多体库，直线运动的平动库以及转动问题的转动库。在液压伺服阀的建模过程中，由于液压伺服阀是一个平面运动模型，使用多体库进行建模计算量偏大，所以使用平动库与转动库进行建模，并编写一个平动库与转动库之间的转换接口可以降低计算复杂度，减少模型的不确定性。其基本方程为： 

s＝l|θ 

τ＝l|f 

式中 

错误！未找到引用源。平动接口位移 

错误！未找到引用源。平动接口力 

错误！未找到引用源。转动接口转角 

错误！未找到引用源。转动接口力矩 

错误！未找到引用源。力臂长度 

如附图5所示，气隙元件是连接磁场与机械场的接口元件，通过其磁通量的变化，可以导致气隙长度的变化。其基本方程为： 

$R_m=\frac{g}{A_g{\mu }_0}$

式中 

错误！未找到引用源。气隙磁阻 

错误！未找到引用源。气隙磁力 

错误！未找到引用源。磁通量 

错误！未找到引用源。气隙面积 

错误！未找到引用源。气隙长度 

错误！未找到引用源。真空磁导率 

如附图6所示，喷嘴元件相当于可变节流口，当喷嘴挡板的间距变化时，通过喷嘴的流量与压降也产生相应的变化，其符合以下方程： 

式中 

错误！未找到引用源。喷嘴孔口常数 

错误！未找到引用源。喷嘴孔直径 

错误！未找到引用源。平衡时喷嘴间隙 

错误！未找到引用源。喷嘴位移 

错误！未找到引用源。液压油密度 

如附图7所示，正向与负向阀开口是用于模拟阀芯与阀体间相对运动所导 致的阀孔开闭情况所编写的元件。对于正向开口来说，当位移为正时允许液压油通过，反之不可；反向开口则相反。其满足如下方程： 

式中 

错误！未找到引用源。节流系数 

错误！未找到引用源。位移 

错误！未找到引用源。面积梯度 

如附图8所示，为定子子系统，其由永磁体及四个气隙组成，并留出平动接口与磁场接口，以备与衔铁子系统连接。 

如附图9所示，为衔铁子系统，其中包含有电磁转换接口，与定子相连的磁、平动接口以及连接喷嘴挡板子系统与反馈杆子系统的转动接口。此外，衔铁子系统中包含有限制衔铁转动的弹簧管部件，为了建模仿真的方便，也将衔铁的均布负载等效成一个旋转惯性负载，并与弹簧管相连接。 

如附图10所示，为电液伺服阀内的喷嘴挡板式液压放大器可以简化为一个由两个固定节流孔与两个可变节流孔(喷嘴)组成的液压桥路模型，其中，固定节流口使用Hylib库中的Orifice组件，而可变节流口(喷嘴)自行建模。当两个可变节流孔的液导变化时，导致液压桥路两输出端产生压差，进而控制阀芯进行运动。该子系统中的液压连接端子分别连接液压源、回油以及阀芯。 

如附图11所示，阀芯子系统由等效阀芯质量以及两Chamber部件组成。喷嘴挡板负载接在阀芯两端，推动阀芯运动。等效质量处的平动接口连接阀体子系统，从而控制阀口的开度等。 

如附图12所示，为反馈杆子系统，其组建相对简单，由平动转动接口与扭 簧组成。 

如附图13所示，阀体由两个正向阀开口与两个反向阀开口连接而成。阀的位移由阀芯子系统引入，即可决定各阀口的开度及液压油流动方向。除了连接负载的两端子外，另外两端连接液压源与回油。 

如附图14所示，为利用子系统级建模得到的子系统搭建而成的电液伺服阀模型，可见由上至下分解并由下至上搭建的模型十分简洁，并且，对于电液伺服阀系统的调整利于实现。 

如附图15所示，为搭建的电液伺服阀系统在伺服系统中的实际应用。 

如附图16所示，为伺服系统的响应曲线，可见本发明可以应用在伺服系统的设计建模之中，为工程人员提供辅助与指导。