simulink的气缸运动的建模与仿真
摘 要摘 要气缸是引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中因为接受活塞压缩从而能够提高压力。在气缸运动过程中，由一个固定气源通过节流阀对气缸输入气体，从而改变气缸无杆腔内压力及温度，带动活塞杆克服摩擦阻力开始运动。有杆腔也因此产生温度与压力的变化，排出气体。本文主要针对气缸对其内部压力、温度、流量、活塞位移及活塞运动速度的相互关系进行了一系列定量分析，建立了简化的数学模型。再使用MATLAB中用于仿真模拟系统的SIMULINK对整个过程进行连接。系统启动仿真后，在经历一系列震荡后，得出压力、活塞位移、活塞速度随时间的变化曲线图，然后开始调整参数值到仿真波形输出，观察效果，分析结果，最终对设计结论作出总结。关键词：气缸运动；数学模型；SIMULINK；仿真 目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 毕设的主要内容 4
1.4 小结 4
第二章 气缸的工作原理及测绘 5
2.1 气缸的概述 5
2.1.1 缸筒 5
2.1.2 活塞 6
2.1.3 端盖 7
2.2 气缸的种类 9
2.3 气缸的工作原理 9
2.4 气缸的拆装 9
2.5零件的测绘 10
2.5.1 游标卡尺的读数原理和读数方法 10
2.6 测绘零件是的注意事项 11
第三章 气缸的建模 12
3.1 气缸在运动过程中的数学模型 12
3.1.1 能量方程 12
3.1.2 状态方程 15
3.1.3 动力学方程 15
3.1.4 质量流量方程 15
3.2 气缸的动态仿真模型 16
第四章 气缸的仿真 18
4.1 simulink的概述 18
4.2 气缸运动仿真结果及过程分析 19
4.3 对气缸的调试 21
4.3.1 改变声速流导C的值 21
4.3.2 改
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.1.3 动力学方程 15
3.1.4 质量流量方程 15
3.2 气缸的动态仿真模型 16
第四章 气缸的仿真 18
4.1 simulink的概述 18
4.2 气缸运动仿真结果及过程分析 19
4.3 对气缸的调试 21
4.3.1 改变声速流导C的值 21
4.3.2 改变活塞质量M的值 24
4.3.3 改变摩擦力f的值 26
4.3.4 改变初始容积V10 的值 28
4.3.5 改变A的值 29
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 选题的目的和意义
目前，气缸排气节能的研究已近引起了国内外不少学者的重视，对于一个完整的气压传动系统来说，减少耗气量就是节能。当前，气缸的排气节能主要从以下这几个方面考虑：在系统中设计加入一些节能型气动回路，可以用来实现节能；开发新的节能气动元件和新的气压传动系统；正确安装、加强维护以及保养、消除泄漏等等。具体主要有以下几种节能方式：将气缸排气腔的能量转换成其他形式的能量（如电能）进行再利用；设计节能回路用来减少排气腔耗气量；利用气罐回收气缸排气腔的部分能量进行再利用等。在这样的背景下，研究气缸的运动过程具有重要意义。
随着现代通信系统的飞速发展，计算机仿真软件已经逐渐成为分析和设计系统的主要工具，并且在系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具，它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考依据。通过仿真，可以降低新系统建立失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，优化系统的整体性能。因此，仿真是系统研究和工程建设中不可缺少的重要环节。本次课题通过仿真气缸运动过程可以更好的辅助生产，提高气缸的利用率。
1.2 国内外研究现状
气动气缸广泛应用于生产，生活。对于气动气缸的研究也没有停歇过，国内外很多的专家学者对气动气缸进行了仿真研究，并对其优化提出了一些理论。
国内：
黄俊 李小宁（南京理工大学）进行了气缸低速运动摩擦力模型的研究。对气缸中产生的摩擦力进行了全面的研究和深入的分析,通过仿真模拟和实验分析,得到了符合气缸低速运动摩擦特性的模型指数函数模型.通过上述结果表明,采用该摩擦力模型,气缸运动的仿真模型的精度会变得更高,能够更好地描述气缸低速运动过程,对于气缸优化设计和气缸正常使用具有较高的参考价值。
上海船舶柴油机研究所的金晶，李玉峰，刘书亮，冯明志等进行了四气门发动机气缸内气流运动的LDA试验研究。用激光多普勒测速仪（LDA），分别对气缸轴线，速度，和在一条直线上分布和横向上气缸燃烧室内进行测定，结果表明：进气过程中气缸内形成一个双涡结构；在压缩过程初期，由于从进气阀排气阀侧滚动逐渐增加的涡流，而反向涡旋逐渐减弱的另一侧，形成一个单一的大型轧辊涡流；在压缩过程的后半部分，跌倒经历增强衰减，变形与破碎过程
上海交通大学的满志桓进行了偏心负载下摆动气缸运动的不稳定性及抑制方法的研究。通过理论分析和实验相结合的方法,确定了摆动气缸在偏心负载的情况下，其运动过程出现不稳定现象的原因、以及其在运动过程中的特点和规律,提出并试验验证了摆动气缸在偏心负载下运动的稳定性的评价指标。提出了通过增加工作腔连通孔从而来抑制摆动气缸在偏心负载下运动的不稳定性现象的方法,以及建立了这种情况下的数学模型。也可以在摆动气缸的供气和排气管路之间增加电磁比例阀从而来抑制摆动气缸在偏心负载下运动的不稳定性现象的方法,并且通过模拟试验验证了这种抑制方法的有效性,并通过MATLAB数值仿真和实验对比进一步修改了这种数学模型。
赵红降(南京理工大学) （1）建立控制回路方案流量补偿—缓冲罐的数学模型; （2）建立了流动补偿—缓冲罐控制回路仿真模型，在稳压元件出口压力曲线可用于确定时间的流动补偿提供了重要依据的模拟压力控制方案; （3）对流量补偿—缓冲罐控制回路，使用稳压元件的出口压力不同的方案是实验研究。有研究表明，所提出的流量补偿，缓冲罐控制回路，可以使压力在电压稳定元件率的出口的相对的变化从原来的22.5％降低到4％，并且气缸的平均速度也增加27.1 ％。以确保缸体的高速运动的顺利。
王成刚，谢小恒，郑晓敏，喻九阳 （武汉工程大学机电工程学院）以冲击气缸为研究对象,运用变质量气体热力学理论建立了该气缸工作过程中的数学模型。在该模型的基础上,利用四阶定步长龙格库塔算法求解方程,得到了冲击气缸内进气腔、出气腔压力随时间的变化曲线以及活塞运动速度和活塞运动位移随时间的变化曲线,并对曲线的变化趋势进行了理论分析。
沈建平(华中理工大学)进行了内燃机气缸内空气湍流运动试验研究以及数值模拟实验。从实验测量和理论分析这两个方面,对内燃机气缸内部空气湍流运动的规律进行了系统的研究,从而为内燃机燃烧系统优化设计,完善内燃机燃烧过程,以便于实现进气系统、燃烧室形状、供油系统三者之间的构成最佳匹配,提供了实际指导和重要的理论依据。通过这位学者对缸内流动的研究,可以得到以下的结论:1、缸内空气流动是一种三维的非定常的湍流运动,流动结构非常强烈地受到进气喷流、燃烧室的结构以及活塞运动速度等的影响。2、进气冲程,由于气流从阀座上
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 毕设的主要内容 4
1.4 小结 4
第二章 气缸的工作原理及测绘 5
2.1 气缸的概述 5
2.1.1 缸筒 5
2.1.2 活塞 6
2.1.3 端盖 7
2.2 气缸的种类 9
2.3 气缸的工作原理 9
2.4 气缸的拆装 9
2.5零件的测绘 10
2.5.1 游标卡尺的读数原理和读数方法 10
2.6 测绘零件是的注意事项 11
第三章 气缸的建模 12
3.1 气缸在运动过程中的数学模型 12
3.1.1 能量方程 12
3.1.2 状态方程 15
3.1.3 动力学方程 15
3.1.4 质量流量方程 15
3.2 气缸的动态仿真模型 16
第四章 气缸的仿真 18
4.1 simulink的概述 18
4.2 气缸运动仿真结果及过程分析 19
4.3 对气缸的调试 21
4.3.1 改变声速流导C的值 21
4.3.2 改
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.1.3 动力学方程 15
3.1.4 质量流量方程 15
3.2 气缸的动态仿真模型 16
第四章 气缸的仿真 18
4.1 simulink的概述 18
4.2 气缸运动仿真结果及过程分析 19
4.3 对气缸的调试 21
4.3.1 改变声速流导C的值 21
4.3.2 改变活塞质量M的值 24
4.3.3 改变摩擦力f的值 26
4.3.4 改变初始容积V10 的值 28
4.3.5 改变A的值 29
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 选题的目的和意义
目前，气缸排气节能的研究已近引起了国内外不少学者的重视，对于一个完整的气压传动系统来说，减少耗气量就是节能。当前，气缸的排气节能主要从以下这几个方面考虑：在系统中设计加入一些节能型气动回路，可以用来实现节能；开发新的节能气动元件和新的气压传动系统；正确安装、加强维护以及保养、消除泄漏等等。具体主要有以下几种节能方式：将气缸排气腔的能量转换成其他形式的能量（如电能）进行再利用；设计节能回路用来减少排气腔耗气量；利用气罐回收气缸排气腔的部分能量进行再利用等。在这样的背景下，研究气缸的运动过程具有重要意义。
随着现代通信系统的飞速发展，计算机仿真软件已经逐渐成为分析和设计系统的主要工具，并且在系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具，它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考依据。通过仿真，可以降低新系统建立失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，优化系统的整体性能。因此，仿真是系统研究和工程建设中不可缺少的重要环节。本次课题通过仿真气缸运动过程可以更好的辅助生产，提高气缸的利用率。
1.2 国内外研究现状
气动气缸广泛应用于生产，生活。对于气动气缸的研究也没有停歇过，国内外很多的专家学者对气动气缸进行了仿真研究，并对其优化提出了一些理论。
国内：
黄俊 李小宁（南京理工大学）进行了气缸低速运动摩擦力模型的研究。对气缸中产生的摩擦力进行了全面的研究和深入的分析,通过仿真模拟和实验分析,得到了符合气缸低速运动摩擦特性的模型指数函数模型.通过上述结果表明,采用该摩擦力模型,气缸运动的仿真模型的精度会变得更高,能够更好地描述气缸低速运动过程,对于气缸优化设计和气缸正常使用具有较高的参考价值。
上海船舶柴油机研究所的金晶，李玉峰，刘书亮，冯明志等进行了四气门发动机气缸内气流运动的LDA试验研究。用激光多普勒测速仪（LDA），分别对气缸轴线，速度，和在一条直线上分布和横向上气缸燃烧室内进行测定，结果表明：进气过程中气缸内形成一个双涡结构；在压缩过程初期，由于从进气阀排气阀侧滚动逐渐增加的涡流，而反向涡旋逐渐减弱的另一侧，形成一个单一的大型轧辊涡流；在压缩过程的后半部分，跌倒经历增强衰减，变形与破碎过程
上海交通大学的满志桓进行了偏心负载下摆动气缸运动的不稳定性及抑制方法的研究。通过理论分析和实验相结合的方法,确定了摆动气缸在偏心负载的情况下，其运动过程出现不稳定现象的原因、以及其在运动过程中的特点和规律,提出并试验验证了摆动气缸在偏心负载下运动的稳定性的评价指标。提出了通过增加工作腔连通孔从而来抑制摆动气缸在偏心负载下运动的不稳定性现象的方法,以及建立了这种情况下的数学模型。也可以在摆动气缸的供气和排气管路之间增加电磁比例阀从而来抑制摆动气缸在偏心负载下运动的不稳定性现象的方法,并且通过模拟试验验证了这种抑制方法的有效性,并通过MATLAB数值仿真和实验对比进一步修改了这种数学模型。
赵红降(南京理工大学) （1）建立控制回路方案流量补偿—缓冲罐的数学模型; （2）建立了流动补偿—缓冲罐控制回路仿真模型，在稳压元件出口压力曲线可用于确定时间的流动补偿提供了重要依据的模拟压力控制方案; （3）对流量补偿—缓冲罐控制回路，使用稳压元件的出口压力不同的方案是实验研究。有研究表明，所提出的流量补偿，缓冲罐控制回路，可以使压力在电压稳定元件率的出口的相对的变化从原来的22.5％降低到4％，并且气缸的平均速度也增加27.1 ％。以确保缸体的高速运动的顺利。
王成刚，谢小恒，郑晓敏，喻九阳 （武汉工程大学机电工程学院）以冲击气缸为研究对象,运用变质量气体热力学理论建立了该气缸工作过程中的数学模型。在该模型的基础上,利用四阶定步长龙格库塔算法求解方程,得到了冲击气缸内进气腔、出气腔压力随时间的变化曲线以及活塞运动速度和活塞运动位移随时间的变化曲线,并对曲线的变化趋势进行了理论分析。
沈建平(华中理工大学)进行了内燃机气缸内空气湍流运动试验研究以及数值模拟实验。从实验测量和理论分析这两个方面,对内燃机气缸内部空气湍流运动的规律进行了系统的研究,从而为内燃机燃烧系统优化设计,完善内燃机燃烧过程,以便于实现进气系统、燃烧室形状、供油系统三者之间的构成最佳匹配,提供了实际指导和重要的理论依据。通过这位学者对缸内流动的研究,可以得到以下的结论:1、缸内空气流动是一种三维的非定常的湍流运动,流动结构非常强烈地受到进气喷流、燃烧室的结构以及活塞运动速度等的影响。2、进气冲程,由于气流从阀座上
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