一、基于相似理論的廣義復阻抗分析法
液壓閥是由機械零件和電磁元件構成的。若從系統的角度來看,液壓閥內部所包含的控制系統一般包含有電回路、機械回路和液壓回路。
一般動力控制系統,按其能量屬性,可以分為電氣系統、機械系統和液壓系統等等。雖然這些不同屬性的系統在結構形式上毫無相似之處,但是他們的數學模型,也就是它們的運動微分方程可能完全相同。如果撇開系統的具體形式,那么只要它們的數學模型是相同的,就可以認為它們是相似的,這時可以用與原系統相似的系統來代替原系統進行動態分析。你會發現某個具體的機械回路或者液壓回路對應于某一個具體的電回路,其數學模型可是是完全相同的;某個機械元件或液壓元件在回路中所起的作用與某個電元件在相應的電回路中所起的作用也可以是完全相似的。因此,可以定義一種廣義的電回路(廣義回路),該回路的形式與運算法則與電回路完全相同,回路中的元件稱為廣義元件,其符號與電元件相似??梢詫⒁簤涸驒C械元件先用相應的廣義元件替代,再將機械回路或液壓回路用相應的廣義回路替代,然后通過復阻抗的分析方法來建立數學模型。
液壓回路轉化為廣義回路基于兩個原因:
首先,廣義回路類似于電回路,而電路的分析已經有一套專門的阻抗分析方法,并且電路的傳遞函數可以利用復阻抗求取。因此,通過廣義回路來建立數學模型比直接建立液壓、機械系統的數學模型來得簡單,其物理概念也比較清楚。
其次,我們研究的液壓系統并不是只有純粹的液壓元件所組成,它的輸出功率最終要通過油缸或油馬達轉化成機械功率,以驅動機器工作,它的控制部分有涉及到電氣元件,因此,液壓系統實際上是機、電、液混合系統。為了設計和分析上的方便,有必要將這種混合系統轉化成統一的廣義回路。
由于系統的動態微分方程是由系統中的能量變化所決定的,因此,為了在用廣義回路代換機、電、液各回路之后保證它們的微分方程不變,必須使代換前后它們的能量關系不變。
已知電功率N電與電流I和電壓U之間的關系為
N電=電流*電壓=I*U
如果把液壓系統中的壓力P看成是一種廣義電壓,把流量Q看成是一種廣義電流,顯然這里廣義電壓與廣義電流的乘積正好等于液壓功率N液,即
N液=廣義電流*廣義電壓=Q*P
同樣,如果把機械系統中的力F看成是廣義電壓,把機械運動速度v看成是廣義電流,則功率正好等于廣義電壓與廣義電流的乘積,即
N機=廣義電流*廣義電壓=v*F
由此可見,只要把電壓U,壓力P和力F看成是一種廣義電壓,而把電流I,流量Q和速度v看成是一種廣義電流,那么液壓系統和機械系統可以看成是一種廣義電系統(簡稱廣義系統)。
二、廣義復阻抗
在電路中,最基本的元件有四種,即電源、電阻、電感、電容。其中電源是產生能量的元件,電阻是消耗能量的元件,電感和電容則是儲存能量的元件。通過電線把他們連接起來,就可以構成各種基本回路。
在液壓回路中也有類似的元器件,例如,油泵就相當于電源,它用來產生能源;節流孔就相當于電阻,它消耗油泵所產生的能量;液壓系統中的工作容積或蓄能器則相當于電容,它積蓄和儲存液壓勢能;管道中的流體質量則相當于電感,它儲存液體的動能。液壓回路可以認為主要是由這四種基本元器件構成的。
在機械回路中,發動機輸出機械功率,它相當于電源;阻尼器消耗機械功率,它相當于電阻;慣性質量起儲存動能的作用,它相當于電感;機械彈簧相當于電容,它起積蓄勢能的作用。這就是機械回路中四種基本的元器件。
由此可見,雖然機、電、液三種系統的結構不同,但是它們都是由性能相同的四種基本元器件構成的。為了統一方便,我們把產生能源的元件統稱為廣義電源,把消耗能量的元件統稱為廣義電阻,把積蓄勢能的元件統稱為廣義電容,把積蓄動能的元件統稱為廣義電感。