1、2009 电机及电子学工程师联合会会议记录机电工程与自动化国际会议8 月 9 号至 12 号，中国，长春拓展元模型在液压系统中应用的探究田军营和韩建海河南科技大学机电工程学院471000，中国，洛阳摘要：在对液压元件和液压系统进行分析后，本文提出了利用拓展学中的物元模型对液压元件及液压系统的设计方法。由于任何液压元件包含以下三个性能特点：输入，输出和性质，所以液压元件可以说是一个物元。任何液压系统都是通过液压元件之间的相互作用使一种能量输入并输出另一种能量的系统。由于一个液压元件不仅是一种特定类型的液压元件，同时也是液压系统的一部分，因此，这篇文章创建了一个物元和关系元的液压系统模型，这个模型
2、是由三个部分组成：液压元件的模型，液压元件的物元和关系元模型，液压系统的物元和关系元模型。因此，液压系统是一个有组织的具有对外输入/输出需求的拓展元素系统并且包含具有内部函数特征信息的组件。液压系统的拓展元模型通过整合性能特点，外部接口的液压元件及液压图可以得到。液压系统拓展元模型的研究提出了一个描述和存储的液压系统的动态模型，这对设计液压系统自动化具有重要意义。条件指数：液压图，液压系统，物元，拓展，模型.简介液压系统是用来控制液压元件位置或加快其抗负荷的速度。液压系统的能量传递是采用加压液体的方式将能源从能量源传输到能源使用的地方1 。液压系统是由液压元件和具有控制功能的液压回路组成2。在
3、 1983 年，蔡教授3 提出了一个解决不兼容问题的概念并宣布可拓学理论的诞生。可拓学的目标是研究通过采用形式化的工具解决矛盾问题的方法和原理，也就是说，定性和定量的分析。随着物元作为基本逻辑单元，物元理论和可拓集理论成为了可拓学的支柱。虽然可拓学是一门新兴科学，但是近年来它已广泛应用于各个领域，例如，经济，管理，控制，人工智能等。4 5 6。由于物元框架提供了一个用形式化的语言来全面地分析问题，本文应用物元理论初步描绘了水力学的功能和特性。任何液压组件都有其本身的性能特点。液压元件的物元模型，包括它本身的性能特点，以及由设计和制造决定的性能特征值。一个液压系统的拓展模型是由它的性能特点和液压
4、元件组成的。液压系统是一个能量传输和能量转换系统7 8。通常情况下，能量通过一个来源，如主电源供应，柴油发动机，航空发动机等，并逐步转换并传输到负载机械上。能量流建模，特别是其拓展的能量转换图，提供了动力控制系统设计中动态建模过程的根本，并且可以更多的应用于系统设计1。本文采用结合性能特点，有外部接口的液压元件及液压图的研究方法。用拓展理论研究液压系统可以创造出许多新的技术和设计用于改进液压系统。为了讨论的方便，本文首先分析了液压系统的性质和液压组件的工作性能，然后构建物元模型。最后，通过物元间的计算得到在物元理论中设计液压系统的方法。 .液压系统可拓模型的实施要点根据液压系统的特点，本文提出
5、了在液压系统中构建可拓结构的步骤，如下所示：1）液压元件模型的设计与构建。虽然由于设计和制造的特殊需要各个液压元件具有不同的特点，但是液压元件在液压系统中有相同或相近的职能。因此，可以设计出液压元件的模型。2）液压元件的物元模型和关系元模型。在这篇文章中通过液压元件的具体特征设计液压元件的物元模型和关系元模型，方便液压系统设计。3）液压系统的描绘和构建。液压系统的描绘和构建描述了在液压系统中信息和能源传递，并且包含了液压系统中的所有液压元件。.液压元件的分析液压系统是由能源装置，驱动器，控制元件，辅助设备和工作介质组成。液压元件主要是指能源装置，执行器，控制元件，辅助设备。工作介质在液压元件之
6、间流动传递系统的控制和位移信息8 。任何液压元件的性能特点都被它的设计原理，制造方法和材料决定。因此具有相同或相似功能的液压元件往往有相同或相近的性能特点8。A. 作为 能源设备的液压元件本文以液压泵作为能源设备元件。所有液压泵应具备的主要性能特点，如吸油压力，工作压力，额定压力，适应压力范围，输出压力，压力类型，位移，最大适应位移量，最大位移，几何位移，理论排量，输出流量，驱动功率，速度范围，驱动力矩，功率消耗，转速，机械效率，容积效率，总功率，输入功率，输出功率等。因为有这些性能之间的内在关系，一些性能指数可以通过计算其它性能指数得到。因此，不同类型的泵的主要性能特点是不同的。齿轮泵的性能
7、指标是排量，额定压力，输出流量，驱动电源，调速范围等。叶片泵的性能指标是几何位移，压力分类，旋转方向等。这就是说，泵的主要性能特点包含的压力，位移和范围，旋转速度和范围，扭矩和范围，容积效率，总效率等8 9 10。从能力转换角度看泵，它是将机械能转换成液压能，因此，泵有输入机械能，输出液压能，并有渗漏偏差和工作过程中摩擦力的损失1。机械能通常与转速和扭矩有关；液压能量通常与压力和位移有关。外部接口也是泵的主要特点。液压油从泵的进油口进入，从它的出油口流出2 7。机械能通过与泵相连的电动马达输入。为了讨论方便，本文把它作为“机械能输入口”这种工作模型。泄漏油从“出油口”流出。字母 P 代表进气道
8、，字母 A 代表出油口，字母 M代表“机械能输入口”，字母 T 代表“出油口”（见图 1）。图 1.外部接口模型和能源设备的简化图显然，泵的性能特点，包含以下三个方面：1） 输入特性：泵输入的性能特点描述称为输入特性；2） 输出特性：泵输出的性能特点描述称为输入特性；3） 本质特征：设计和制造决定的性能特点称为本质特征。容积效率，总效率和泵的传输性能都是本质特征。本质特征是内在的，固定的和不可避免的。B. 作为 执行机构的液压元件本文以液压马达和液压缸来作为执行元件。液压马达的性能特点是位移，压力，速度范围，额定输出等。液压缸的性能特点是输入压力，口径大小，杆直径，最大行程，输出压力，流量等8
9、 9 10。其中一些性能特点是由设计和制造决定的。机械能从一个与负载连接的液压马达的轴上输出，也可以从一个与负载连接的液压缸上输出，本文把它们作为“机械能输出口”这一工作模型，字母 M 代表有一个进油口和出油口，液压缸的端口不仅是一个入口，也是一个出口。字母 P 代表进油口，字母 A 代表出油口，所以 A/P 代表一个进油口的同时也代表一个出油口。双作用缸有两个端口，一个用字母 A 代表，另一种是由字母 B 代表。显然，执行元件的性能特点，可以包含三个方面：输入特性，输出特性，本质特点（见图 2）。(C) Simplified graph of double-acting cylinder图
10、2.简化执行机构C 作为控制元件的液压元件液压系统中的控制元件为液压阀。液压阀有很多类型。液压阀的主要性能特点有位移，压力等。一些液压阀有用于控制液压阀的工作的手柄。手柄的工作可以是电子和液压两种控制方式 8 9 10。液压阀的工作模式可以被抽象为一个“电子/机械/ 液压控制端口”模型，由字母 C 代表。压力接口的代表字母是 P，出口端口和 A 位置出口的代表字母是A，B 位置出口的代表字母是 B，中间位置端口的代表字母是 T。显然，控制元件的性能特点，包含以下三个方面：输入特性，输出特性，本质特征。“电子/机械/ 液压控制端口”的性能特点属于输入特性。有些液压阀有一个“电子/机械 /液压控制
11、端口”在 A 出油口和一个“电子/机械/液压控制端口”在 B 出口，前者称为 “A 电子/机械/液压控制端口”,代表字母是 A/C, 后者称为 “B 电子/ 机械/液压控制端口”,代表字母是 B/C。在图 3 液压阀可分为以下五个类别：1） 只有一个入口和一个出口的液压阀被称为型液压阀，单向阀是型液压阀；2） 有一个入口，一个出口和一个“电子/机械/ 液压控制端口 ”的液压阀被称为型液压阀，控制阀是型液压阀；3） 有一个入口，一个出口，一个中间端口和一个“电子/机械/ 液压控制端口”的液压阀被称为型液压阀，溢流阀是型液压阀；4） 有一个入口，两个出口，一个中间端口和一个“电子/机械/ 液压控制
12、端口”的液压阀被称为型液压阀，换向阀是型液压阀；5） 有一个入口，两个出口，一个中间端口和两个“电子/机械/ 液压控制端口”的液压阀被称为型液压阀，比例阀是型液压阀， “电子/ 机械/液压控制端口” 的变化可以使对应这个端口的液压信号发生变化。图 3.外部接口模型和控制组件的简化图D.作为辅助设备的液压元件辅助设备大多是简易的。管道可以被理解为一个有一个进油口和一个出油口的液压元(,)iiRNcv件，蓄能器，过滤器，水库，热交换器，压力表，压力增强器也都是辅助设备8 9 10。辅助设备全部可以由图 4 符号代表。进口端代表的字母是 P，出口端代表的字母是 A。显然，配套设备的性能特点，可以包含
13、三个方面：输入特性，输出特性，本质特点（见图4）。 P A 图 4.简化的辅助设备 .拓扑学中物元与关系元的概念一个物元可以被三个有序的坐标确定如 R= (N,c,v),是一个物质的基本要素，其中 N 代表物质，c 是 N 的特点，v= c(N)是关于特点 c 约束，并且（c,v）是物质 N 的特殊元素。一个物质可能有许多特殊元素，它可以由一个 n 维物元的表示：1233,CVnnvRc,(i=1,2, . n)被称为 R 的分支元3 4 5。从关系元的定义可以得到如下概念即无论是物元或关系元，他们的约束可以是数字或非数字3 4 5。. 液压元件的模型建立液压元件的模型简称 PHC。液压元件的
14、性能特点，可归入以下三类：输入特性，输出特性，本质特征。不仅输入特性，而且输出特性和本质特征也是多方面的。这些性能特点可以反应出不同液压元件的特征。定义 1：任何一个物元都有一个特定点并且有一个约束这个物元的物元单元，简称 MEU。这个物元单元被一组数据定义。显然，物元单元可以对液压元件的某些性能特点进行描述。表 1 列出了液压系统的一些物元单元。定义 2：如果物元单元没有特定点和约束，那么这种单元就被称为空单元，简称 EU。显然，空单元是一种特殊的物元单元。表 2 给出了一些液压系统中的空单元。定义 3： ,i,j=1,2, . ,n,是物元单元。,iijjjNcvcv中如果iijjjiji
15、jijNcv， ， 那么操作 称为合并操作。ijijijijcijijv显然， 有以下本质特征:1) 物元单元合并后还是其本身;2) 满足交换律；3) 任何两个空单元的合并结果还是空单元。例如，可表示为 A/P，A/P 是一个空单元。AP。故 A/C,B/C 也是空单元。,APA/P,A/C,B/C 可以描述液压组件的外部接口，并且 A/P 和 P/A 是一样的。表 1. 主要的物元单元物元单元的名称 定义电压物元 ,0volaxyandxy 流体物元 cur转矩物元 ,tl 转速物元 0rosvaxyandxy压力物元 ,pel 冲程物元 str移位物元 ,0divaxyandxy 转换物元
16、 ,011;,0swswitchoters传递函数物元 trltnferufmul 总效率物元 %,0ovax容积效率物元 旋转方向物元 ,0,1,1;,0rodvalxclkwiseothrsx 输出方向物元 uAutxBule输入方向物元 ,;,inolt 输入变量物元 invaR输出变量物元 ,ux表 2.主要的空单元空单元名称 定义 意义A 单元 AAB 单元 BBP 单元 PPT 单元 TTM 单元 M机械E 单元 E电子H 单元 H液压C 单元 C控制4）把表 1 中的物元单元与表 2 中的空单元合并后得到一个物元单元。例如,0,0disvaxyandxyAdisAvaxyandx
17、y 可以描述液压元件的 A 出油口位移值的范围。空单元如 A/P,A/C,B/C 也可以通过与表 1 进行合并得到。5）表 1 中的两个物元单元合并后得到的不是一个物元单元。它是一个合并单元。因为表 1 中两个物元单元的特征是不相容的，它们不能合并。如，i,j=1,2,n,都是表 1 中的物元，但是,iijjjNcvcv。ijijiijjj jNcv6）将空单元先后与两个表 1 中的物元单元合并之后在合并得到的结果和先将两个表 1中物元单元合并后再与空单元合并的结果是一样的。如果将液压元件输入特性简称 OCHC, 液压元件的本质特征简称为 NCHC, 液压元件的模型简称 PHC, 那么一个液压
18、元件模型可以用一个如下 PHC 描述：(1) ThenamofprtyeICHsetofMEUONtf .液压元件的物元与关系元模型的建立液压元件的物元和关系元的模型简称 MRMHC.如果液压元件可以从一个其他组件输入信息，并且将其输入到另外一个元件，那么它就以作为一个液压元件的模型。如果输入装置简称 SIOC,并且输出装置简称 SOOC,一个液压元件的模型简称 PHCC,那么一个液压组件可以被描述成如下的 MRMHC：(2)ThenamofcpnetiutsSIOCoPH . 液压系统的物元与关系元模型的建立液压系统的物元与关系元模型简称 MRMHS。一个液压系统有许多组件，它可以从外面输入
19、信息也可以把信息输出到外面。如果外部输入装置简称 SFO，输出到的外面装置简称 STO,液压系统的其他组件简称 SOC，液压组件简称 SC，那么一个液压系统可以被描述为如下的 MRMHS：(3)ThenamofhydraulicsteminputsSFOoTC .液压系统的拓展元模型液压组件和液压系统的输入输出都是很复杂的。为了讨论方便，本文给出了如下规定：1）当一个人是一个液压系统的操作员时，他或她将会被视为液压系统的一个部分。但是他或她是独立存在并且不受液压系统控制的，因此没必要在液压系统中去定义他或她。2）对一个空单元和一个液压组件进行合并：定义 4： 是一个空单元，Y 是一个液压组件，
20、如果,X那么,UykK 是 中 液 压 元 件 原 型 的 一 组 物 元 单 元成立。 被称为一个液压组件和空单元进行的合并操作。Y因此，一个空单元和一个液压组件可以合并，并且描述了液压组件的外部接口的信息 。给一个液压系统的拓展元模型如下。图 5 给出了一个液压回路。图 5.液压回路图 5 的液压系统如下：0,12,tanhsyteminputsmotrMocylideSCpvcylieralpvsslk 图 5 液压元件的模型如下: 00,0,cylinderiputdvaleAdvleBosacylinrMPHC 0ta0,0pumintskPmotodvlepvaleu 00,0,p
21、1,p2tandvaleinputsAcylindrcyliderBpoeCMlotslisvlPvcyidrlelekAPHClv 00,outpstapvaleinmeoMkpvl 1,tstan0vleidleAekPHCvl 2,outpstapvaleinleBpoeMkAvl 00tstansvleidlekPHCvl 10outpstansvaleindvleBkAPHCl 图 5 中需要的液压元件模型如下：pmIDislacemt r -elnt P,ruToq t lt M,RtinlSpdr- OCHsacet elntA,Pru Nf tio matr-lt,Ttlny
22、voeric telnt cylinderICHDsplatr - P A,Pru ltilcent e B,s mr-lntOiplat ,Pru ltDislcetr -e , lntBrat M,Sokmr-ltNCHTnsfe ucti e d- valeICHDisplacemntr -elnt P.Pruilt lt A.sr-iplacent elnt PB,PruIt dio mtr -lt C M.O,res at elnt Diplcr- T.Put ltislCH A.rematr -elntiplc B.Psut ltNCH Trnfior -let s -valeID
23、ilace t nP,sr-elt iplm t A,Prult NCHTansfe ctio ar-lmentO p -valeIil P,r t eltPsur- MODiplacemnt lnt A,rNCHTsf tio ater -lmt 在此条件下，虽然前者的例子忽略了管道的影响，但我们可以得出以下结论：显然液压系统的拓展元模型不仅可以包含液压系统中的重要信息，而且还可以提供液压图所需的信息。元件的内在要素和相应的输入输出组件通常需要共同存在并且互相影响。一对连接的液压元件，前面的输出特性和后面的输入特性包含了相同的 MEU 信息.这种 MEU 信息直接决定液压元件是否能相互合作和如何共同工作，以及它们共同工作的融合度。.总结虽然液压元件和液压系统是复杂的，但本文件所提供的方法还可以解决液压系统的描述和结构设计问题。液压系统的拓展元模型研究能激发出许多新的思路和方法用来研究液压系统，这对于设计液压系统自动化具有重要意义。
