基于Simulink的含二级液压缸的举升系统仿真研究

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Simulation Analysis for Driven Lift System th Two StageHydraulic Cylinder Based on SimulinkREN Jianhua ，XIE Jian ，LI Liang ，ZHANG Lei(1.The Second Artilery Engineering University，Xian Shaanxi 7 10025，China；2.Xichang Satelite Lanuch Center，Xichang Sichuan 615000，China)Abstract：The two stage hydraulic cylinder model and its mechanism model were proposed using SimHydraulics and SimMechan-ics modules. By incidence relation among the parameters of mechanism model，hydraulic model and control model，the model of driv-en lift system with two stage hydraulic cylinder was built.And simulation analysis for the model was caried out.The results indicatethe model is valid.It provides reference for the simulation and optimization of driven lift system with multistage hydraulic cylinder。

Keywords：Two stage hydraulic cylinder；Driven lift system；Simulation举升系统是机电液-体化的复杂系统，而机电液- 体化的系统在工程领域中有着广泛的应用。机电液- 体化的系统常采用多软件协作的方法建立仿真模型并对模型进行仿真 。但多软件的协同仿真通常比较耗时，其设置也比较复杂，给仿真工作带来诸多不便。目前利用 SimHydraulics软件对液压系统的建模研究比较深入 。 ，利用SimMechanics软件对机械系统的建模研究比较多 。 。利用上述两种软件，将构建的液压模型与机械模型结合，在Simulink仿真环境下建立机电液-体化的仿真模型，这将提高仿真的工作效率。作者利用 SimHydraulics和 SimMechanics软件建立了二级液压缸的模型和系统的机械模型，通过机械、液压、控制模型间参数的关联关系，构建了含二级液压缸的举升系统的模型，并对模型进行了仿真分析，表明了模型的正确性，为含多级液压缸的举升系统的仿真与优化研究提供了方法。

1 举升系统基本工作原理举升系统的典型结构如图l所示。该系统主要由多级液压缸和机械臂两部分组成。机械臂与固定装置铰接，多级液压缸的上支耳与机械臂铰接，下支耳与固定装置铰接，多级液压缸伸出时驱动机械臂绕着定轴转动，从而将其举升到-定的角度。

图 1 举升系统的结构简图以机械臂的旋转中心0为坐标原点，建立如图 1所示的坐标系，该系统可视为在 Oxy平面内的运动。

00。Z。，OO f：，OO，Z 。举升角度用 0表示 ，它是时间的函数，初始时刻00，末态时090。。

2 SimHydraulics的二级液压缸模型SimHydraulics是美国 The MathWorks公 司推出的收稿日期：2012-04-01作者简介：任建华 (1987-)，男，硕士研究生，研究方向为机电控制。E-mail：963956473###qq.corn。

第9期 任建华 等：基于Simulink的含二级液压缸的举升系统仿真研究 161·针对液压传动和控制系统建模和仿真的工具，扩展了Simulink的物理建模和仿真能力。SimHydraulics采用所见即所得的方式构建模型：每个拈对应真实的液压元器件，元件拈之间以代表动力传输管路的线条连接。这样可以通过直接描述物理构成搭建模型，省去了繁琐的数学方程推导过程，使仿真过程变得简单 。

利用 SimHydraulics软件建立的二级液压缸的模型如图2所示。缸 1的活塞杆与缸2的缸体连接，模拟二级液压缸的第-级 ，缸 2的活塞杆模拟二级液压缸的第二级。封装好的运动传感器5和6分别用来测量液压缸运行的位移和速度。

B1、 单级 双作 用馥压 缸 3.-级 缸 筒 的质量4-二级缸筒的质量 5、6-运动传感器图2 二级液压缸原理图3 举升系统的机械模型SimMechanics工具箱的推出，使得机械系统的建模与仿真变得更加便利 。利用该软件建立了如图3所示的机械系统模型。

采用位移、速度和加速度作为输入信号，并采用角度传感器 17采集系统的举升角度。

l-重力环境 2、16-固定装置 3、13、l5-旋转副 4-二级液压缸的缸体5、9-驱动拈 6、1O-输入信号 7、ll-移动副 8-二级液压缸 的-级缸筒 12- 二级液压缸的二级缸筒 l4-机械臂 17-角度传感器图3 举升系统的机械模型4 举升系统的完整模型及仿真分析根据前面的分析，将图2所示的二级液压缸模型和图3所示的二级液压缸的机械拈进行封装，并作为举升系统的液压系统和液压缸机械系统。当机械臂转动较慢时，可以近似认为作用于机械臂的举升力矩和机械臂的重力矩平衡。液压缸的举升力是位移和举升角度的函数，而举升力的大猩以近似认为与负载力相同，基于此，建立了负载力拈，并将负载力作用于液压缸的活塞杆～上述系统与其他拈搭接建立了举升系统的完整模型，如图4所示。

图4 举升系统的完整模型系统的部分参数设计如下：-级活塞杆与二级活 和3.35 1q，缸体、-级缸筒和二级缸筒的质量分别塞杆的行程分别为0.811和0.760 m，-级缸筒有杆 为120、100和65 kg，机械臂的质量为 1 200 kg，设腔和无杆腔 的有效作用面积分别为 0.018和 0.014 定系统 的重力为 9.81 N/kg，液压油 的密度 为 880m ，二级缸筒有杆腔和无杆腔的有效作用面积分别 kg/m ，弹性体积模量为700 MPa。以机械臂的回转为0.014和0.010 m ，z 、z：和f 分别为1.20、2.O0 中心为坐标原点，并分别设定缸体、-级缸筒、二级· 162· 机床与液压 第41卷缸筒与机械臂的初始坐标和转动惯量。对系统仿真90 S，利用 MATLAB工作空间数据可以得到举升过程的位移曲线、速度曲线、举升角度曲线和举升力曲线，如图5-8所示。

图7 举升角度曲线图 图8 举升力曲线图从图5和图6中可以看出：举升过程二级液压缸向外伸出的顺序为：第-级与第二级同步向外伸出，第-级运行到达极限位置时停止，同时第二级向外伸出。由于第二级外伸出时容腔体积变小，所以第二级运行速度比第-级大。从图6可以看出：液压缸在启动、换级及停止时将产生冲击振荡，这些都与实际相符合。

图7为举升角度曲线，从图中可以看出：举升角度的变化范围为0。～89.380 4。，也与实际情况相符。

从图8可以看出：举升力在开始时最大，随着举升时间增加而逐渐减小，在 t85.339 8 S时举升力变为零 ，随着时间的增加 ，举升力变为负值。这表明举升过程中，举升力由推力变为拉力，与实际情况相符。

5 结论利用 SimHydraulics和 SimMechanics软件能方便地建立多级液压缸的模型和机械系统的模型，通过机械、液压、控制模型间参数的关联关系，在 Simulink环境下能够实现复杂的机电液系统的仿真研究 ，为含多级液压缸的举升系统的仿真与优化提供了方法。