基于SimHydraulics的液压阀参数化设计与优化

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Parametric Design and Optimization for Hydraulic Valve Based on SimHydraulicsMEI Yuanyuan .CHEN Kuisheng ，GUO Yuan ，LIU Chang(1.College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei43008 1，China：2.Wuhan Metallurgy the Administrative Cadre Institute，Wuhan Hubei 43008 1，China；3.Jinan Diesel Engine Co.，Ltd.，Jinan Shandong 250306，China)Abstract：Some features of SimHydraulics were briefly introduced. It was used to create an efective physical model of achievingdirectional valveS dynamic characteristics. In addition，how to use MATLAB and the Optimization Toolbox to identify parameter val-ues was shown.The method was used to match the directional valveS flow characteristics described in manufacturer's data sheets. Theresult demonstrates that this method is practicable。

Keywords：SimHydraulics；MATLAB；Directional valve；Parametric design；Optimization；Physical model方向阀是液压传动与控制中比较常见的-类液压阀，-般分为由电磁铁控制的常规开关型方向阀和由比例电磁铁控制的比例或伺服阀。创建-个十分精确的方向阀模型往往需要设计或生产部门提供相关的数据，这是-个比较麻烦的工作 ，因为不同设计或生产部门提供的数据可能是不-样的。如何创建-个能获得相关动态特性的物理模型并实现快速仿真也将是比较困难的，但通过分析比较，了解其相互制约的关系，其困难是可以解决的。

1 方向阀的模型方向阀的模型可以分为两部分：控制级和功率级。

Proporti，Servo-Valv2-Position ValveActuator(b)二位二通方向阀的模型图 1 方向阀模型两个例子中的功率级都是利用可变节流 口 (Vat-iable Orifces)组合而成。图 2表示了-个三位 四通方向阀的截 面和功率级 的配 置，以及相关 的 Sim-Hydraulics模型。

A P B T(a)四通方向阀的截面 (b)四通方向阀的原理4-W ay DirectionalVaive(c)SimHydraulics厍 中 四通方 向 阀功率 级图2 三位四通方向阀的功率级结构模型在创建好模型之后，需要设置相应的模型参数值。所有的 SimHydraulics库 中的块参数都可以通过数据表来确定。由于设计或生产部门提供的阀的相关参 数 缺 乏 统 - 的 标 准，因而 想 要 准 确 地 设 置SimHydraulics中阀的相关参数 比较困难。-般情况下 ，生产部门只是提供阀的-些基本几何尺寸和输出收稿日期 ：2012-04-11作者简介：梅元元 (1988-)，男，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制与仿真。E-mail：davidmei###qq.con。

第 10期 梅元元 等 ：基于 SimHydraulics的液压阀参数化设计与优化 ·79·特性。作者将描述如何利用这些信息来确定阀的参数和建立阀的模型并进行仿真。

2 SimHydraulics特点及其优势SimHydraulics是-个用于液压系统工程设计和仿真的建模环境，使用 SimHydraulics可以建立起完整的液压系统模型，过程如同组建-个真实的物理系统。SimHydraulies使用物理网络方式构建模型：每个建模拈对应真实的液压元器件 ，诸如液压泵、液压马达和控制阀；元件拈之间以代表动力传输管路的线条连接。这样 ，就可以通过直接描述物理构成搭建模型，而不是从基本的数学方程做起。SimHydraulics是基于 Simulink物理建模家族中 Simscape平台下的，可以与 Simulink和 MATLAB的家族产品实现无缝连接，而其优势正在于此，SimHydraulics与 SimMechan-ics、SimDriveline、SimElectrolics和 SimPowerSystems等 Simulink家族产品-同使用 ，能够支持对复杂机、电、液系统集成的多域物理建模、控制、优化与仿真，以便分析它们之间的相互影响 。

3 方向阀的功率级参数在 SimHydraulics中，对于方向阀的功率级模型，有 3种方法可供选择 ：(1)通过指定阀节流口的最大节流面积和开 口度。通过节流口的流量是通过方程 (1)来计算的qCqA -Ah 0±式中：q为通过阀口的流量；(1)(2)(3)C 为流量系数 ；为阀口节流面积；A 为阀口最大节流面积；h为阀口开度 ；为最大阀IYl开度；为阀芯位移；‰为阀口初始开度 ；P为油液密度 ；卸 为阀口前后压差。

这种方法的主要特性是节流面积与开口度之间是线性关系，这样可以提高计算的效率。

(2)通过在节流面积与开口度之间指定-组关系表。与第-种方法相反，节流面积与开 口度之间的关系被假定为非线性的，并且节流面积的值是由插值法来计算的。

(3)通过在流量、节流开口度和压差之间指定- 组关系表。流量由二维插值法查表获得。-般，相关数据都是从设计或生产部门提供的数据表中获得，并且如果用这种方法 ，并不需要进-步指定阀的其他参数。

由于第-种方法节流面积与开 口度之间是线性关系，参数设置较为简单 ，这里主要介绍用第二种方法进行建模。

4 建立模型并进行优化(1)打开 Simulink、SimHydraulics和 Simscape的相关库，并创建图3所示的三位四通阀测试模型。

Signal Builder4-WayDirectional五P re ssu脚re Soumrc eI 10二P s(MPa) LLc二：竺兰 蟊 n 日 三垂 1图3 三位四通阀测试模型(2)按第二种方法设定方向阀的参数。图4即为模拟设计或生产部门提供的三位四通方向阀的流量特性 曲线，这里选用博世 -力士乐公司的比例方 向阀 ，而参考曲线选用曲线 1。

.鲁争图4 三位四通方向阀流量特性曲线为了保证阀的压差恒定，在 P口、A口和 B口连接-个理想 的压力源，压力分别为 1.0、0.5和 0.5MPa。方向阀的 Model parameterization项选择 By areavs.opening table： Tabulated valve openings 设 为[0：0.1：1]，即阀芯最大位移为 1 cm，所以图3中的控制信号也要设定为从 0到 1线性递增；Tabulatedvalve passage area设定为[0 a-l a-2 a-3 a4 a-5 a-6 a-7 a 8 a 9 a 10]，这里设定为参数是为了后面进行优n· 80· 机床与液压 第 41卷化。图4中控制信号的0～20%为流量死区，输出流量几乎为零，所以曲线几乎是重叠的；当控制信号到达 10% ～20% 的地方 ，阀才开始有流量通过。出于这个考虑，设定阀的初始开度为 -0.5 am。

(3)优化函数。优化的目标函数定义如下：nmin F( )：∑OL (Q -Q ) (4)式中： 为设计变量；Ot 为权值；Q 为参考流量 ；Q 为实际流量。

所以，目标函数的执行文件定义如下：function Folc ectfunction 4- way(X，Qr)asslgnin(base，al，x(1))；asmgnin(base，a2，x(2))；assxgnin(base，a3，x(3))；asslgnin(base，a4，x(4))；asslgnin(base，a5，X(5))；asslgnin(base，a6，X(6))；asslgnin(base，a7，x(7))；asslgnin(base，a8，X(8))；asslgnin(base，a9，x(9))；asslgnin(base，-10，X(1o))；model4way-valveflowrate；load- system(mode1)；sire(mode1)；k[1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1]；F0；for j：1：11FFk(J)$(yout(J)-Q-r(J)) ；endend调用优化的脚本文件：init-opening -0.5；a leak1e-9；a-max0.167；Q-r[0 0 0 1 2 5 9 13 18 24 30]；xO[0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060.07 0.08 0.09]；[x，fval，exitflag，output]fminunc(###objectfunction4way，x0，optimset(Tolx，1e-10，Display，iter，LageScale，of)，Q-r)；(4)仿真结果分析经过 13次迭代和 192次的目标函数评估，最终使得实际流量与参考流量之间的差异是最小的。图5显示了优化之前的流量特性 (图5(a))和优化之后的流量特性 (图 5(b))。

阀芯开口度/mm(a)优化之前30、 25口201510蠖 50阀芯开口度/mm(b)优化之后图5 阀的流量特性曲线5 结论利用 SimHydraulics建立了方 向阀的流量特性测试模型，对方向阀进行了参数化设置并利用 MATLAB的优化工具箱 Optimization Toolbox来辨识方向阀的相关模型参数，通过这种方法来匹配设计或生产部门提供的方向阀的流量特性 ，获得了很好的结果，同时为研究开发新的液压元件提供了-种手段。