.基于 AMESim 的气动系统建模与仿真技术争论〔版本 A〕. word.zl- .本文主要容如下(1) 推导气体的流量、温度和压力方程2) 基于 AMESim 对一般气动回路进展仿真分析并推导气动系统常用元件的数学方程，在此根底上对气动元件及系统进展模型仿真分析3) 对气动比例位置系统进展建模与仿真争论，在系统仿真模型根底上进展故障仿真争论最终探讨基于 AMESim 的气动比例位置系统实时仿真争论 word.zl- .1. 气动系统建模的理论根底气动系统和元件建模的首要任务就是要充分的明确空气的物理性质和空气的热力学性 质，为准确的元件建模和系统仿真奠定根底气动元件的构造是格外简单的，但其中的根本 规律和数学描述一般还是比较清楚的经过前人的大量争论觉察，气动系统的动态特性从本 质上讲可以抽象为由一些根本环节所组成，比方放气环节、惯性环节和气容充气环节等等而它们之间又是通过压力、力、位移、容积等参数相互关联相互影响的1.1 流量方程. word.zl- .流量特性表示元件的空气流通力量，将直接影响气动系统的动态特性全部的压力降取决于下面两个根本参数：a) 声速流导 C(Sonic Conductance)——[null]b) 临界压力比b(Critical Pressure Ratio)[S*m4/kg]ISO6358 标准孔口——标准体积流量设确定温度 T ，确定压力 p 的工况下的体积流量为Q，基准状态和标准状态下的体积流量可表示为：空气压缩机的输出流量通常用换算到吸入口的大气状态下的体积流量来表示。
以上公式同样适用于从吸入口的大气状态到基准或标准状态的换算气动孔口流量. word.zl- .在气动系统中，一般需要计算通过节流口的气体压力、流量、温度等参数，但是由于气 体的可压缩性，气体在通过节流口时是个很简单的过程，节流口前后的流道突然收缩或扩， 气体在孔口前后均会形成涡流，产生猛烈的摩擦，因而机械能变成热能具有不行逆过程同 时，由于流体运动的极不规那么，同一界面上的各点参数极不均匀为了争论气体的流量特 性，根本上可将阀中的节流口抱负地等价为一个小孔或收缩喷嘴，并用小孔或者收缩喷嘴的 流量特性来表示其流量特性式中 u——缩流处的流速k ——空气的比热ρ ——喷嘴上游空气密度(kg/m3)0p ——上游压力(bar)0p ——下游压力(bar)1由于是等熵流淌，将绝热过程公式带入替换密度ρ1可得流经收缩喷嘴的质量流量：式中 R ——气体常数(J/(kgK))T ——上游空气确实定温度(K)0A ——喷嘴出口面积(mm2)1这里A 比喷嘴入口处截面积A 小，两者的比是：1 0. word.zl- .称之为缩流系数缩流系数依据收缩喷嘴入口的外形及尺寸不同，一般在 0.85～0.95 之间的围。
当质量流量到达最大时，即流量到达饱和，此时的压力比P /P 就是临界压力比依据1 0气体绝热过程的能量方程式可得临界压力比b 为：压力比P /P 比临界压力小时，流淌为声速流将临界压力比代入质量流量计算式那么：1 0实际上气体流过简单的部元件时，流淌损失是不能无视的在肯定的上游条件和肯定的压差条件下，实际通过元件的质量流量将小于按理论公式计算出来的理论质量流量那么实际流量应为：〔重要公式〕. word.zl- .式中 Cq 流量系数：实际流量与理论流量之比当进口的流量系数是一个定值时，那么流过收缩喷嘴的焓流量如下式：式中 Cq ——等压比热(Nm/kg/K)h ——单位质量流量的焓(J/s/kg)留意到在收缩喷嘴处的气体音速表达式是：式中 Tvc——喷嘴下游温度(K)结合质量流量计算式可以推导出：流量系数〔重要公式〕. word.zl- .实际的气动系统中，由于气动元件的节流方程可知节流孔的面积不等于其气流的节流面积，要知道小孔的节流面积是格外困难的，因而流量系数的测定很难做到准确而且在实际 工程中，不行能逐一的用试验来测定其流量系数，实际上流量系数是一个不断变化的量，因 为它不仅跟阀口或者小孔的上下游压力差有关，而且还与阀口或者小孔的类型、开度及气流 的流淌方向等因素有关。
然而我们在工程设计和仿真时，常常把流量系数看作一个常数，但 这样必定会给系统的最终计算结果带来肯定的误差，因此针对不同类型的阀口，选取适宜的 流量系数能真实的反映实际状况，这在建模过程中是格外必要的实际的气动元件不同于单个喷嘴，由于每个实际元件并非是单个节流口，而是与流通界面面积相串联的、任意形式收缩的一串喷嘴群，明显，当气体通过串联的两个喷嘴时，当其中任何一个喷嘴到达临界状态时，气流都会发生堵塞而得到最大流量然而由于总压力比的缘由，因此任何时候的临界压力比都应当小于 0.5283在利用 AMESim 软件进展气动元件建模时可以充分利用相关流量系数的曲线图和相关点的数值，只要把这些数值通过 AMESim 中的 Table 编辑器后即可生成“.data〞数据文件如以下图，图中显示的是流量系数随上下游压力比和阀口开度关系的二维线性样条变化曲 线，该文件可以很便利的在元件模型系统仿真时调用，这样一来可以保证元件流量系数的准确性同时也确保了流量计算的正确〔翻开方式：tools-table editor〕. word.zl- .1.2 温度压力方程依据热力学第肯定律和能量守恒定律推知一个系统(开口或闭口、与外界发生或不发生热交换)的部能量变化方程为：式中 dQ/dt——外界参与掌握体的热量的变化(J/s) dW/dt——掌握体气体对外做功的变化(J/s) dV/dt——腔室体积变化(m3/s)Aex ——元件的热交换面积(m2)T ——外界温度(K)extT ——腔室气体温度(K)K ——气体热交换系数(J/m2/s)假设单位质量气体的能是u ，所以气体的能为：. word.zl- .联立 dU/dt 与 U 方程得：对于抱负气体，单位气体的能也是温度的函数所以有： 式中C ——比定容热容(Nm/kg/K)V由于抱负气体的状态方程为：上式两边对时间t 微分即可求得压力的一阶微分方程式：然而对于变体积的热气动腔室来说，由于气体自身的温度在不断的变化，所以单位气体的能也是不断的变化，用公式表示即为：综合方程式，可得变体积气动腔室温度变化的一阶微分方程通式：〔重要公式〕在此公式中，m 、h 表示的是在一开口或闭口系统之中气体带入掌握体的焓与气体流出i i掌握体的焓之和，流入的为正值，流出的为负值。
上述所推导的流量、温度和压力方程在气 动系统中建模时普遍适用，但针对个别具体的气动元件还有一些个别相关的方程需要计算 word.zl- .小结：本节针对气体的流量、常见类型的小孔和喷嘴状阀口的流量系数以及温度压力方程进展了具体的分析论述，得出如下结论：(1) 通过对流量、温度压力方程推导所得到的相关一阶微分方程在气动元件建模中普遍有用2) 流量系数本身是一个不断变化的值，其值的变化状况不仅与阀口处上下游的静压力比有关而且还与阀口的开度大小有关通常状况下流量系数都是随阀口的上下游压力的比值增大而增加的，阀口的开度越大时相应的流量系数也是越大的通过对一些类型的小孔和喷嘴状阀口的流量系数的分析后，从便利应用的角度动身对它们的流量系数的取值给出了一个适宜的取值围以供使用时作为参考依据需要可以将流量系数随变量的变化关系通过 AMESim 设置成数据文件的形式， 在进展元件模型系统仿真时能够调用该文件或者直接调用表达式，保证了流量系数或其它相关参数的正确性2. 气动主要元件及系统的建模与仿真2.1 AMESim 介绍AMESim 环境下的气动掌握系统建模常承受自上而下的建模方法，把简单的系统模块化，使得抽象的系统具体化，AMESim 仿真机构框架如以下图。
word.zl- .AMESim 具有丰富的模型库，用户可以承受根本元素法，依据实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，不需要推导简单的数学模型在 AMESim 中，用于气动系统建模的气动库中包括了一些在气动系统中常常使用的气动元件图标，这些图标直观形象地表现了气动元件的功能，每个图标有一个或多个数学模型与之对应，用于描述气动元件的特性，以便更真实地模拟气动系统的参数并进展仿真争论以 PCD 中的带环形孔口的滑阀设计一个三通阀为例进展说明在完成草图后，在子模型模式中可以更换子模型，然后在参数模式中中设置各个参数，最终进展运行仿真 word.zl- .在 AMESim 中，每一个子模型都是由语言程序代码编写的在建模过程中，假设遇到AMESim 标准库中没有的子模型，可以通过 AMEset〔模型、文档生成器〕编辑子模型，来扩大 AMESim 应用库以下是方波信号的c 语言代码：. word.zl- .气动元件的数学模型是依据气体状态方程和质量。