基于LuGre模型的液压缸摩擦力修正模型.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 3 9卷 第 1 O期 润滑与密封 LUBRI CAT I ON ENGI NEERI NG 0c t ． 2 01 4 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 2 基于 L u G r e 模型 的液压缸摩擦 力修正模型 王勇勤张洋 罗远新宋宗焘 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆 4 0 0 0 3 0 摘要 通过分析液压缸摩擦力的诸多特性 ，基 于 L u G r e 摩擦模 型，引入滑动油膜动态特性方程 ，建立一种液 压缸 摩擦力新模型。在 M a t l a b ／ S i m u l i n k中搭建模型原理 图，对新模 型进行 仿真 ，并 与实 测数据进行对 比。研究结 果表 明 建立的液压缸摩擦力新模型能够反映实验中观测到的绝大多数摩擦特性，与实测数据吻合较好，可适用于各种精密液压 系统的仿真与控制策略研究中。 关键词液压缸 ；摩擦力 ；L u G r e 模型 ；动态特性 中图分类号 T H1 1 7 ． 1 文献标识码 A文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 1 0 0 0 6 4 A No v e l M o d e l o f Hy d r a u l i c Cy l i n de r Fr i c t i o n Ba s e d o n Lu Gr e M o d e l Wa n g Yon g q i n Zh a n g Ya n g L u o Yu a n x i n So n g Z on g t a o T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f M e c h a n i c a l T r a n s m i s s i o n ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f e a t u r e s o f f ric t i o n ph e n o me n o n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e a n a l y z e d．Ba s e d o n L u Gr e mo d e l a n d c o n s i d e rin g t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r f ric t i o n p r o p e r t i e s ，t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r f r i c t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y i n t r o d u c i n g t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f l u b ric a n t fil m．Th e p rin c i p l e d i a g r a m o f t h e mo d e l wa s s e t u p i n t h e S i mu l i n k ．T h e s i mu l a t i o n r e s u h s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e e x p e ri m e n t a l r e s u l t s ， i n d i c a t i n g t h a t t h e n e w m o d e l c a n r e f l e c t t h e v a s t m a j o ri t y o f t h e f ri c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o b s e r v e d i n e x p e rime n t wi t h a h i g h p r e c i s i o n ．T h e n e w mo d e l c a n b e u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f h i g h p r e c i s i o n h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e r e s e a r c h o f c o n t r o l s t r a t e g y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ；f ric t i o n；L u Gr e mo d e l ；d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s 摩擦现象普遍存在于运动机械之中，特别是在高 精度液压跟踪系统和轧钢机械液压踏步控制系统等高 性能液压伺服装置 中，摩擦 的影响更是 占有举足轻重 的地位。液压缸是液压系统的执行元件 ，液压缸摩擦 环节的高度非线性一方面会造成速度和位置等系统误 差 ，另一方面在系统低速运行时甚至会引起执行机构 的爬行现象。因此在高性能的液压控制系统设计中要 设法消除或减小其影响，提高系统的性能。 为 了掌握 液压 系统 的 动态 特性 ，提 高其 控 制精 度 ，有必要 建立 精确 的液 压 缸摩擦 力 数 学模 型 。然 而 ，摩擦力 的形式和大小取决于相互接触 的两物体表 面的物理结构和性质、表面间的压力、相对速度 、润 滑情况以及其他一系列 因素，它们之间呈非线性关 系，用准确的数学模型描述摩擦现象比较困难。张涛 等人 ⋯指出经典 摩擦 模 型能够 大致 反 映摩 擦过 程 的 基金项 目机械传动 国家重点实验室科研业务费 S K L M T Z Z K T ． 2 0 1 2 MS 1 2 ． 收稿 日期 2 0 1 40 11 5 作者简介王勇勤 1 9 6 1 一 ，男，教授，博士生导师 ，从事冶 金机械装备研究．E m a i l w y q c q u ． e d u ． a n ． 规律 ，在黏滑运动领域或在精度要求不是很高的运动 控制系统中有 比较好的精度 ，然而在动态性能要求高 的高精 度液压 控制 系统 中 ，经典摩擦模型难 以满足要 求。原 大宁和刘丽兰 总结 了试验 中所能观察到 的机 械系统 的摩擦特性 以及现有 的各种摩擦模型 ，指 出了 各个摩擦模型的优缺点和应用场合。H s i e h和 P a n 指出高精度液压系统中液压缸的摩擦力应该满足 S t r i b e c k曲线 ，具 有 滞 回 效 应 与记 忆 效 应 。Y a n a d a和 S e k i k a w a 用 L u G r e 模 型对 液压 缸摩 擦 力进 行 仿 真 ， 指 出了 L u G r e 模 型描 述液 压缸 摩擦 力 的局 限性 。A l B e n d e r 等 建立 了一种 全新 的摩擦 模 型并 应 用其 对 机械系统进行 补偿 。 本文作者以重载高性能混合驱动平台中的液压缸 为研究对象，结合液压缸摩擦特性 ，基于 L u G r e模 型，引入油膜动态特性方程 ，建立了全新的液压缸摩 擦模型 。 1 液压缸摩擦特性分析 从静止开始，液压缸摩擦力的变化大致经历 2个 阶段边界润滑阶段和全流体润滑阶段。在边界润滑 阶段 ，相互接触的 2个表面会发生微滑动现象 ，作用 力和位移之间表现出滞后效应 ，具有 时间依赖性 ；全 8 润滑与密封 第 3 9卷 化川。 虽然 M a t l a b ／ S i m u l i n k中 自带 非 线 性模 块 中也 有 摩擦模块 模块名称为 C o u l o m bV i s c o u F r i c t i o n ， 但此模型理论基础过于简单，不能应用于处于往复运 动中的液压缸 的摩擦力仿真分析 中。 根据本文作者提出的液压缸摩擦模型，在 S i m u ． 1 i n k中搭建仿真原理图 。基 于重载高性能混 合驱动 系 统中液压缸相关测试数据 ，计算和估计相关仿真参 数 ，如表 1 所示。 表 1 液压缸摩擦力模型中各参数值 Ta b l e 1 P a r a me t e r s o f h y d r a u l i c c y l i n d e rs f r i c t i o n mo d e l 仿真中液压缸以正弦规律做往复运动，正弦信号 幅值为0 ． 1 5 i n ，频率为3 ． 1 4 1 6 H z ，仿真时间设置为 2个周期4 s 。图2示出了液压缸摩擦力仿真曲线，零 点 附近可观测到最 大静摩擦力 或者 临界脱 离摩擦力 ， 第一个速度零点附近最大静摩擦力为 4 0 0 k N，比其 他零点处的最大静摩擦力明显偏大，这就是最大静摩 擦力的减小效应或者可变静摩擦力效应，整个曲线非 常明显地具有 S t r i b e c k效应 。 图 3示 出了液压缸摩擦 力对速度 响应 曲线 ，可 以 明显看出响应曲线是一条闭合曲线，这就是液压缸摩 擦力的滞回效应 ，尤其当液压缸速度比较大时，仍有 明显的滞回效应 ，这是 L u G r e 模型所不能体现的。 一 ． ●■ L 、 图2 液压缸摩擦力仿真曲线 Fi g 2 Fric t i o n s i mu l a t i o n r e s u l t s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r f } 、 ． 液压缸速度v l m s 图3 液压缸滞回效应 Fi g 3 Hy s t e r e s i s e f f e c t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r 图4示 出了高性能混合驱动实验平台中液压缸摩 擦力实测数据与仿真数据对比，对比结果表明本文作 者所建立的液压缸摩擦力模 型具有 比较高 的精度 ，可 适用于各种精密液压系统的仿真与控制策略研究中。 800 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 辅 3 0 0 髓 2 0 0 腰 1 O 0 出0 2- 1 o o ．2 O 0 { i { I俩 霹 霸t ／避 数 据 _| j ’ --i_ __’ 一’ 图4 液压缸摩擦力仿真结果与实测数据对 比 Fi g 4 Co mpa ris o n b e t we e n s i mu l a t i o n r e s ul t s a n d me a s u r e me n t r e s u l t s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r f r i c t i o n 4结论 1 通过分析液压缸摩擦特性 ，基于 L u G r e摩 擦模型，引入油膜厚度参数，建立了油膜动态方程和 新 的液压缸 的摩擦模型 。 2 0 1 4年第 l 0期 王勇勤等 基于 L u G r e模型的液压缸摩擦力修正模型 9 2 利用 M a t l a b ／ S i m u l i n k搭建 了液压缸摩擦力 仿真原理 图 ，对模型进行 了仿真分析 ，并与实 验数据 进行了对比，结果表明，建立的液压缸摩擦模型能够 反 应实验 中观测到 的绝大多数动态摩擦特性 ，并且具 有较高的精度。该模型为高精度液压系统仿真中摩擦 力的观测和补偿提供了参考 ，可扩展应用于各种液压 控制系统中，提高仿真精度 ，完善控制策略。 参考文献 【 1 】张涛， 路长厚， 潘伟． 一种基于粘弹性理论的摩擦模型[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 8 S 2 9 0 2 9 3 ． 【 2 】原大宁， 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7 ． 【 6 】刘占生， 张敏， 张广辉， 等． 基于 L u G r e 摩擦模型的叶片碰撞 摩擦特性研究[ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 2 1 7 21 7 8 ． L i u Zh a n s h e n g， Zh a n g Mi n， Zh a n g Gu a n g h ui ， e t a 1 ． Ch a r a c t e r i s t i c s o f i mp a c t c o n t a c t a n d f r i c t i o n b e t we e n t i p s o f b l a d e s b a s e d o n L u G r e m o d e l [ J ] ． J o u r n a l o f V i b r a t i o n a n d S h o c k ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 2 1 7 21 7 8 ． 【 7 】王毅， 何朕， 苏宝库． 摩擦模型的S i m u l i n k仿真[ J ] ． 电机与 控制学报 ， 2 0 0 4 ， 8 1 6 0 6 3 ． Wa n g Yi ， He Li a n， S u Ba o k u． S i mu l a t i o n o f t h e f ric t i o n mo d e l o n S i m u l i n k [ J ] ． E l e c t ri c M a c h i n e s a n d C o n t r o l ， 2 0 0 4 ， 8 1 6O一6 3． 【 8 】Y a n a d a H， T a k a h a s h i K， M a t s u i A ． I d e n t i fi c a t i o n o f d y n a m i c p a r a me t e r s o f mo d i fi e d L u Gr e mo d e l a p p l i c a t i o n t o h y d r a u l i c a c t u a t o r [ J ] ． T r a n s J p n F l u i d P o w e r S y s t S o c ， 2 0 0 9 ， 4 0 4 5 7 - 6 4 ． 上接 第 5页 参考文献 【 1 】P e t t e r s s o n U ， J a c o b s e n S ． I n fl u e n c e o f s u rf a c e t e x t u r e o n b o u n d a r y l u b r i c a t e d s l i d i n g c o n t a c t s[ J ] ． T r i b o l o g y I n t e ma t i o n a l ， 2 0 0 3 ， 3 6 1 1 8 5 78 6 4 ． 【 2 】H a m i l t o n D B， Wa l o w i t J A， A l l e n C M． A t h e o r y o f l u b ri c a t i o n b y m i c r o i r r e g u l a r i t i e s [ J ] ． J o u r n a l o f B a s i c E n g i n e e ri n g ， T r a n s a c t i o n o f AS ME， 1 9 6 6 ， 8 8 1 1 7 71 8 5 ． 【 3 】S u h N P ， M o s l e h M， H o w a r d P S ． C o n t r o l o f F r i c t i o n [ J ] ． We a r ， 1 9 9 4， 1 7 5 1 ／ 2 1 5 11 5 8 ． 【 4 】Y u H W， Wa n g X L ， Z h o u F ． G e o m e t ri c s h a p e e f f e c t s o f s u rf a c e t e x t u r e o n t h e g e n e r a t i o n o f h y d r o d y n a mi c p r e s s u r e b e t we e n c o n fo r m a l c o n t a c t i n g s u r f a c e s [ J ] ． T r i b o l o g y L e t t e r s ， 2 0 1 0 ， 3 7 2 1 2 31 3 0 ． 【 5 】Y u H W， H u a n g W， Wa n g X L ． D i m p l e p a t t e rns d e s i g n f o r d i f - f e r e n t c i r c u m s t a n c e s [ J ] ． L u b r i c a t i o n S c i e n c e ， 2 0 1 3， 2 5 2 6 7 78 ． 【 6 】R o u e n A， E t s i o n I ， K l i g e r m a n Y ． F r i c t i o n r e d u c i n g s u rf a c e t e x t u r i n g i n r e c i p r o c a t i n g a u t o m o t i v e c o m p o n e n t s[ J ] ．T r i b o l o g y T r a n s a c t i o n s ， 2 0 0 1 ， 4 4 3 3 5 93 6 6 ． 【 7 】D e K r a k e r A， V a n O s t a y e n R o n A J ， V a n B e c k A， e r a 1 ． A m u l t i s c a l e m e t h o d m o d e l i n g s u r f a c e t e x t u r e e f f e c t s [ J ] ． J o u rn a l o f T r i b o l o g y ， 2 0 0 7 ， 1 2 9 2 2 2 1 2 3 0 ． 【 8 】Wa n g X L ， K a t o K， A d a c h i K ， e t a 1 ． L o a d s c a r r y i n g c a p a c i t y ma p for t h e s u rfa c e t e x t u r e d e s i g n o f S i C t h r u s t b e a r i n g s l i d i n g i n w a t e r [ J ] ． T ri b o l o g y I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 3 ， 3 6 3 1 8 9 1 9 7 ． 【 9 】李媛 ， 刘小君 ， 王静 ， 等． 脂润滑条件下微凹坑表面的摩擦特 性研究[ J ] ． 合肥工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 3 5 1 1 1 4 4 4 1 4 4 6． L i Y u a n ， L i u X i a o j u n， Wa n g J i n g ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c a v e s u rfa c e s u n d e r g r e a s e l ub ric a t i o n 『 J ] ． J o u r n a l o f He f e i U n i v e r s i t y o f ’F e c h n o l o g y N a t u r e S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 2， 3 5 1 1 1 4 4 41 4 4 6 ． 【 1 0 】 林子光 ， 王恩鸿． 脂润滑条件下激光微精处理零件的擦伤 性能研究 [ J ] ． 摩擦学学报 ， 1 9 9 8 ， l 8 3 2 3 8 2 4 2 ． Li n Zi g ua n g， W a ng En h o n g ． T h e a n t i s c uf f i n g be h a v i o r o f me c h a n i c a l pa ns t r e a t e d mi c r o - p r e c i s e l y b y l a s e r u n d e r g r e a s e l u -- b r i c a t i o n[ J ] ． T r i bel o g y ， 1 9 9 8 ， 1 8 3 2 3 8 2 4 2 ． 【 1 1 】张培耘 ， 华希俊， 杜志华， 等． 激光微织构表面脂润滑性能 试验研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 1 3 ， 3 8 1 0 4 4 4 7 ． Z h a n g P e i y u n ， Hu a X i j u n ， D u Z h i h u a ， e t a 1 ． E x p e ri me n t a l r e 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