液壓系統(tǒng)動態(tài)特征研究方法

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，其應用領域日益廣泛。用來完成傳動和控制功能的液壓系統(tǒng)也越來越復雜，并對其系統(tǒng)柔性化與各種性能提出了更高的要求。所有這些都對現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的設計和制造帶來了更精準、更深層的要求。僅僅采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機構(gòu)預定動作循環(huán)和滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能要求的系統(tǒng)，已遠遠不能滿足上述要求。

因此，對于從事現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的設計研究人員來說，對液壓傳動和控制系統(tǒng)進行動態(tài)特性研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)工作過程中動態(tài)特性和參數(shù)變化，以便進一步改進和完善液壓系統(tǒng)是十分必要的。

1、液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的本質(zhì)

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性本質(zhì)上是液壓系統(tǒng)在失去原來平衡狀態(tài)到達新的平衡狀態(tài)這一過程中所表現(xiàn)出來的特性。進一步而言，打破液壓系統(tǒng)原來平衡狀態(tài)、觸發(fā)其動態(tài)過程的原因歸納起來主要有兩個:一是由傳動或控制系統(tǒng)的過程變化引起的;二是由外界的干擾引起的。在這一動態(tài)過程中，液壓系統(tǒng)中的各個參數(shù)變量都隨著時間變化，這種變化過程性能的好差就決定了系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。

2、液壓動態(tài)特性的研究方法

研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的主要方法有函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法四大類。

2.1函數(shù)分析法

傳遞函數(shù)分析法是基于經(jīng)典控制理論的一種研究方法。用經(jīng)典的控制理論對液壓系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析通常只能局限于單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)，一般先建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，寫出其增量形式，然后進行拉普拉斯變換，從而得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，再將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為易于直觀分析的伯德圖表示，最后，通過伯德圖中的相頻曲線和幅頻曲線分析其響應特性。遇到非線性問題，常常忽略其非線性因素或?qū)ζ浜喕删€性系統(tǒng)。而實際上，液壓系統(tǒng)多具有復雜的非線性因素，因此，用這種方法分析液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性存在較大的分析誤差。此外，傳遞函數(shù)分析法是把研究對象當做一個黑盒，只著眼于系統(tǒng)的輸入和輸出，不討論其研究對象內(nèi)部狀態(tài)如何。

狀態(tài)空間分析法，就是把所研究的液壓系統(tǒng)的動態(tài)過程的數(shù)學模型寫成狀態(tài)方程，既一階微分方程組，這個方程組所表示的是液壓系統(tǒng)中每一個狀態(tài)變量的一階導數(shù)，都是其他若干狀態(tài)變量和輸入變量的函數(shù);這種函數(shù)關系可以是線性的，也可以是非線性的。把一個液壓系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)學模型寫成狀態(tài)方程的形式，經(jīng)常使用的方法是用傳遞函數(shù)導出狀態(tài)函數(shù)方程，或用高階微分方程導出狀態(tài)方程，也可用功率鍵合圖列出狀態(tài)方程。該分析方法注重所研究系統(tǒng)的內(nèi)部變化，并可處理多輸入、多輸出問題，對傳遞函數(shù)分析法的不足有了較大改善。

包括傳遞函數(shù)分析法和狀態(tài)空間分析法在內(nèi)的函數(shù)分析法是人們認識和分析液壓系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)特性的數(shù)學基礎，但單純的函數(shù)分析法計算數(shù)據(jù)處理復雜，使用起來具有一定的局限性，往往采用描述函數(shù)法分析，故不可避免地出現(xiàn)分析誤差，常用于簡單系統(tǒng)的分析。

2.2模擬仿真法

在之前計算機技術(shù)尚未普及的年代，用模擬計算機或是模擬電路來進行液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的模擬與分析，也是一種實用有效的研究方法。模擬計算機誕生于數(shù)字計算機之前，其原理是基于不同物理量變化規(guī)律在數(shù)學描述上的相似性研究模擬系統(tǒng)的特性。其內(nèi)部變量是連續(xù)變化的電壓變量，對于變量的運算是基于電路中電壓、電流、元件等電特性的相似運算關系。

模擬計算機特別適合于求解常微分方程，所以也被稱為模擬微分分析器。包括液壓系統(tǒng)在內(nèi)的物理系統(tǒng)，其動態(tài)過程多數(shù)是以微分方程的數(shù)學形式表示的，因此模擬計算機很適用于動態(tài)系統(tǒng)的仿真研究。

模擬仿真法在工作時是把各種運算部件按照系統(tǒng)的數(shù)學模型聯(lián)結(jié)起來，并行地進行運算，各運算部件的輸出電壓分別代表系統(tǒng)中相應的變量，具有處理速度高和能直觀表示出系統(tǒng)內(nèi)部關系的優(yōu)點。但該分析方法的主要目的，在于給出一個可供進行實驗研究的電子模型，而不是獲得數(shù)學問題的精確解析，所以其存在運算精度低的致命缺點;另外，其模擬電路往往結(jié)構(gòu)復雜，抗外界干擾能力極差。

2.3實驗研究法

實驗研究法是分析液壓系統(tǒng)動態(tài)特性必不可少的研究手段，尤其是在過去還沒有數(shù)字仿真等實用的理論研究方法時，只能依靠實驗方法進行分析。通過實驗研究可以直觀地、真實地了解液壓系統(tǒng)動態(tài)特性和相關參數(shù)的變化，但是完全通過實驗的方法來分析液壓系統(tǒng)具有周期長、成本高的弊端。

另外，對于復雜的液壓系統(tǒng)，即便經(jīng)驗豐富的工程人員也沒有完全的把握對其進行準確的數(shù)學建模，因此就無法對其動態(tài)過程進行正確的分析與研究。通過與實驗相結(jié)合的辦法可以有效地驗證所建模型的準確性，并可為其提供修改意見，以建立正確的模型;同時通過進行相同條件下的仿真和實驗研究可將兩者的結(jié)果對比分析，保證仿真和實驗的誤差在可控范圍內(nèi)，由此便能在保證效率和質(zhì)量的基礎之上縮短研究的周期，提高效益。因此，如今的實驗研究法常常作為對重要的液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)字仿真或其他理論研究結(jié)果進行對比驗證的必要手段。

2.4數(shù)字仿真法

現(xiàn)代控制理論的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展為液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究帶來了新的方法，即數(shù)字仿真法。該方法先是建立液壓系統(tǒng)過程的數(shù)學模型，并用狀態(tài)方程表示，然后在計算機上求出系統(tǒng)各主要變量在動態(tài)過程中的時域解。

數(shù)字仿真法既適用于線性系統(tǒng)也適用于非線性系統(tǒng)，可以模擬出任意輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況，進而得到對液壓系統(tǒng)動態(tài)過程直接的、全面的了解，使得設計人員在設計階段就可以預測液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，以便及時對設計結(jié)果進行對比、驗證和改進，可有效地保證所設計的液壓系統(tǒng)具有很好的工作性能和較高的可靠性。與其他研究液壓動態(tài)性能的手段和方法相比，數(shù)字仿真技術(shù)具有精確、可靠、適應性強、周期短和經(jīng)濟節(jié)約等優(yōu)點。因此，數(shù)字仿真法在液壓動態(tài)性能研究領域得到了廣泛的應用。

3、液壓動態(tài)特性研究方法的發(fā)展方向

通過數(shù)字仿真法的理論分析，結(jié)合實驗結(jié)果對比驗證的研究方法，已經(jīng)成為目前研究液壓動態(tài)特性的主流方法。更進一步，由于數(shù)字仿真技術(shù)的優(yōu)越性，液壓動態(tài)特性研究的發(fā)展必將和數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展緊密結(jié)合在一起。深入研究液壓系統(tǒng)的建模理論和相關算法，開發(fā)出易于建模的液壓系統(tǒng)仿真軟件，以便液壓技術(shù)人員把更多的精力投入到對液壓系統(tǒng)本質(zhì)工作的研究是當今液壓動態(tài)特性研究領域的發(fā)展方向之一。

此外，鑒于現(xiàn)代液壓系統(tǒng)組成本身的復雜性，在對其進行動態(tài)特性研究時，會常常涉及到機械電氣，甚至氣動方面的問題。由此可見，液壓系統(tǒng)動態(tài)分析，有時是機電液等問題的綜合分析。所以，開發(fā)具有通用性的液壓仿真軟件，結(jié)合不同研究領域仿真軟件各自的優(yōu)勢，以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的多維領域聯(lián)合仿真，亦成為目前液壓動態(tài)特性研究方法的主要發(fā)展方向。

現(xiàn)代液壓系統(tǒng)性能要求的提高，以完成執(zhí)行機構(gòu)預定動作循環(huán)和滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能要求的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)已不能滿足要求，對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究勢在必行。

本文在闡述了液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究本質(zhì)的基礎上，詳細地介紹了包括函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法四類研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的主要方法以及其優(yōu)缺點，并指出開發(fā)出易于建模的液壓系統(tǒng)仿真軟件和實現(xiàn)多領域仿真軟件的聯(lián)合仿真是今后液壓動態(tài)特性研究方法的主要發(fā)展方向。

注：本文由機哥整理自《流體傳動與控制》2015年第6期 ，作者劉登科