電液控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、機電液控制技術(shù)的發(fā)展趨勢徐 松四川大學 制造學院，四川 成都 610225摘 要:將近代電液控制與過去電液控制作了對比,并就近代電液控制的幾種類型及先進性作了闡述,分析了電液控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:電液控制;集成化;智能化;PID控制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制;電流變液Electro-hydraulic control technology present situation and development trendXuSongSichuan University School of Manucturing Science and Engineering, Sichuan Chengd

2、u 610225 Abstract: nearly DaiDian fluid control electro-hydraulic control made the contrast with the past, and the nearest DaiDian fluid control of several types and advanced in this paper, the future trend of the development of the electro-hydraulic control system are analyzed.Keywords: electr

3、ic hydraulic control; Integration; Intelligent; PID control; Neural network control. Electrorheological fluids 流體傳動技術(shù)主要包括利用流體(液體和氣體)壓力和流體動能進行能量傳遞的液壓氣動和液力傳動技術(shù)。很多自動化生產(chǎn)工序,如機床、工程機械、汽車、礦山機械等不用液壓元件和系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。隨著傳感技術(shù)、數(shù)字開環(huán)及閉環(huán)控制系統(tǒng)的出現(xiàn),液壓傳動已經(jīng)發(fā)展成今天的電液傳動技術(shù),基礎(chǔ)元件的動態(tài)特性和精度取得了極大的改進。如閥、變量泵、傳感器和使用高效的數(shù)字集成電路,使閉環(huán)控制在動態(tài)特性和靜態(tài)精

4、度上顯示出極大優(yōu)勢。50年代左右,以反饋控制為主體的基于經(jīng)典控制理論的電液伺服系統(tǒng)得到快速發(fā)展,為工程控制提供了精度高、響應(yīng)快、大功率的技術(shù)手段。70年代末期,以可靠、價廉、節(jié)能、易維護并具有相當高精度和動態(tài)響應(yīng)特點為標志的電液比例控制技術(shù)迅速崛起。80年代以來,比例元件的設(shè)計原理進一步完善,采用了多種形式的內(nèi)反饋、動態(tài)反饋及電校正等手段,使閥的精度、響應(yīng)、穩(wěn)定性都得到了大幅度提高,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)減小到3%左右,工作頻寬可達25Hz。近年來,計算機的飛速發(fā)展帶來了控制領(lǐng)域的革命,出現(xiàn)了采用高速開關(guān)閥和步進電機拖動的數(shù)字式元件,以及以此為基礎(chǔ)的 脈寬調(diào)制(PWM)型電液控制系統(tǒng)和數(shù)字增量控制(IDC)

5、型電液控制系統(tǒng)。它們從抗干擾性和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力以及控制方式、控制策略上與傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)有著顯著不同,可以稱之為近代電液伺服控制。1 液壓元件和液壓系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀11 液壓控制閥液壓控制閥按控制方式可分為:開關(guān)定值控制閥、伺服控制閥和電液比例閥。開關(guān)定值控制閥:此類閥借助手動、機動、電磁鐵和控制壓力油等控制方式啟閉液流通路,定值控制液流參量伺服控制閥:此類閥根據(jù)輸入信號及反饋信號成比例地連續(xù)控制液壓系統(tǒng)輸出的液流參量。伺服控制閥又稱為隨動閥,具有很高的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)性能,但價格昂貴,抗污染能力差,主要用于控制精度要求很高的場合。電液比例閥:電液比例閥的性能介于二類閥之

6、間,結(jié)構(gòu)較伺服控制閥簡單,價格較低且易于維護,它可根據(jù)輸入的電信號連續(xù)地控制液流參量,滿足一般工業(yè)生產(chǎn)對控制性能的要求。1.2 液壓泵和液壓馬達液壓泵和液壓馬達是液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,前者是把電動機的機械能轉(zhuǎn)換成液壓能;后者是把液壓能轉(zhuǎn)換成機械能輸出,執(zhí)行所要求的動作。液壓泵的發(fā)展趨勢朝著高速化方向發(fā)展,提高泵的轉(zhuǎn)速的一個技術(shù)難點是摩擦副材料的耐磨性能,希望耐磨材料有較高的允許摩擦功。隨轉(zhuǎn)速的提高,泵的工作流量將增大。因此,泵的流道必須設(shè)計制造的流暢,以保證小的流道阻力,維持較高的運行效率,避免進口氣蝕。為滿足一般工業(yè)伺服系統(tǒng)精度不高、成本低、工作可靠和維修方便的要求,液壓伺服技

7、術(shù)發(fā)展了電液步進馬達和電液比例控制。電液步進馬達是一種數(shù)字式機電液一體化裝置,基本核心是計算機與液壓馬達的結(jié)合。1.3 液壓系統(tǒng)的分類和組成液壓傳動的設(shè)備,無論怎樣復(fù)雜,總是由一些基本回路和特殊回路組合而成,基本回路是用液壓元件組成并能完成特定功能的油路結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對液壓技術(shù)提出了更高的要求,不僅要求基本回路能夠完成某項特定功能,還要求它們具有安全可靠、節(jié)能、低噪聲、無泄漏和維護簡單等功能?；净芈泛鸵簤涸荚诓粩嘣黾?、演變和趨向更加完善的境界。液壓系統(tǒng)按采用控制閥的性質(zhì)分類,可分為普通液壓傳動系統(tǒng)、電液比例系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)。普通液壓系統(tǒng)中還可以根據(jù)它們采用閥的形式

8、分為滑閥型、二通插裝閥型、球閥型等。一般的液壓系統(tǒng)就是指普通開關(guān)式滑閥型的液壓系統(tǒng),由于液壓技術(shù)的發(fā)展,這類系統(tǒng)的閥的安裝和組合形式是多種多樣的。電液比例控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)基本構(gòu)成可以歸納如下:系統(tǒng)的指令及放大單元多采用電氣控制,其中,電機械轉(zhuǎn)換器有動圈式、動鐵式電磁元件和伺服電動機、步進電動機等。它的功能是將放大器輸出的控制電流信號轉(zhuǎn)換成機械控制信號力和位移。液壓轉(zhuǎn)換及放大元件是各類開關(guān)式、比例式或伺服式閥,實際是一個功率放大單元。液壓執(zhí)行元件通常是液壓缸或液壓馬達。測量及反饋元件將執(zhí)行元件輸出的動力參數(shù)或其它中間變量加以檢測并轉(zhuǎn)換為反饋量(電、液壓、機械)反饋到電機械轉(zhuǎn)換器的輸出端

9、。電液比例控制系統(tǒng)采用電液比例壓力閥或比例流量閥來替代普通液壓系統(tǒng)中的多級調(diào)壓回路或多級調(diào)速回路,這樣不僅簡化了系統(tǒng),而且可實現(xiàn)復(fù)雜的程序控制及遠距離信號傳輸,便于計算機控制。電液控制系統(tǒng)可分為閉環(huán)和開環(huán)兩種,采用閉環(huán)控制系統(tǒng)可提高執(zhí)行元件輸出參數(shù)的控制精度,或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標。通常電液伺服控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。由于電液比例控制系統(tǒng)對工作介質(zhì)清潔度無特殊要求,制造成本低,能量損失低,穩(wěn)定和動態(tài)控制特性足以滿足大部分工程控制的要求,因此贏得了比電液伺服系統(tǒng)更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。1.4 電液傳動系統(tǒng)的介質(zhì)應(yīng)用自從帕斯卡定理發(fā)明幾百年來,由于液壓油具有防銹、潤滑性能好、粘度大的優(yōu)點,得以廣

10、泛應(yīng)用。人們利用礦物油作液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì),創(chuàng)造了一代又一代的由液壓油傳動與控制的各類主機系統(tǒng)。但是,液壓油也給人類帶來了生態(tài)環(huán)境的污染。由于自來水具有無污染,來源廣泛,節(jié)省能源,安全性,難燃性等特性,是最具潛力的介質(zhì)。隨著各種相關(guān)科學的發(fā)展,“純水液壓技術(shù)”的有關(guān)技術(shù)難點得到解決。因此如何利用純水作為高壓液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)的課題引起了人們普遍的關(guān)注,純水液壓傳動的研究已成為當今液壓界的一大熱點。純水具備礦物性液壓油所不具備的優(yōu)點:純水價格低廉,來源廣泛,無需運輸倉儲;泄漏的純水無需回收,因此無環(huán)境污染,同時降低了維護費用,而泄漏的礦物油極易污染環(huán)境;純水的阻燃性好、安全性好,可在高溫環(huán)境下安

11、全工作,大大拓寬了液壓系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域;純水的壓縮系數(shù)小,壓縮損失比礦物性液壓油降低25%左右,可補償一部分由于泄漏增加而造成的容積損失。但純水也存在著如下明顯的缺點,這正是在研究中需要加以克服的問題:粘度低,密封間隙中流體流速加大,使漏損加大;潤滑性差,元件的壽命縮短;純水的運行范圍是350,比礦物性液壓油的范圍窄的多;純水具有氣蝕性、腐蝕性,會使材料表面產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學反應(yīng),使之脆弱化;純水中的氯化物濃度、酸性、硬度及細菌也會對元件和系統(tǒng)產(chǎn)生影響。盡管用純水液壓傳動存在著許多缺點,但是利遠遠大于弊。隨著各種相關(guān)學科的發(fā)展,相信這些缺點將會得到解決。2 電液控制技術(shù)的發(fā)展2.1&#

12、160;集成化從技術(shù)構(gòu)成上,電液控制是集液壓技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、計算機控制及現(xiàn)代控制理論等眾多學科于一體的高交叉性、高綜合性的技術(shù)學科,具有顯著的機電液一體化特征。從元器件結(jié)構(gòu)組成上,往往是集傳感器、控制放大器、執(zhí)行器于一身,構(gòu)成集成化功能單元,而系統(tǒng)應(yīng)用上則趨向于采用集成單元來實現(xiàn)復(fù)合功能。2.2 智能化無論從元件的開發(fā)研究,還是系統(tǒng)的構(gòu)成,以機敏材料為代表的智能材料的引入,傳感檢測技術(shù)的不斷進步,以及包括模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的新的智能化控制策略與手段的不斷成功運用,使得系統(tǒng)及元件的自學習、自適應(yīng)機能得到充分提高,當代的電液控制技術(shù)越來越呈現(xiàn)出智能化的趨勢。2.3

13、 PID控制的新發(fā)展以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID控制,因其具有結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)的特點,至今在電液伺服控制中仍有著廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的PID采用線性定常組合方式,難于協(xié)調(diào)解決快速性和穩(wěn)態(tài)特性之間的矛盾,在具有參數(shù)變化和外干擾情況下,其魯棒性也不夠好。吸取自適應(yīng)控制和智能控制的基本思想并利用計算機的優(yōu)勢,對傳統(tǒng)的PID控制進行改造后,形成了自適應(yīng)PID、模糊PID、智能積分PID和非線性PID等新的控制方式。2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NNC)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)是模擬人腦的信息處理和思維決策過程而運行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它具有能充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系,很強的魯棒性和容錯性、大規(guī)模并行性以及

14、學習、推理并能適應(yīng)嚴重不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性等優(yōu)點,因而近年在控制領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。2.5 電流變液的應(yīng)用電流變液(ElectrorheologicalFluid,簡稱ERF)由微米量級的固體顆粒(分散相)和不導電的液體(連續(xù)相)組成,其主要特征是,在電場作用下能實現(xiàn)液態(tài)向固態(tài)快速可逆的轉(zhuǎn)化,其響應(yīng)時間為毫秒量級。ERF的這一特征使其在工業(yè)和技術(shù)上極具應(yīng)用前景,利用這一性質(zhì)設(shè)計出的新一代的傳動離合器、閥門、減震器、制動器等可通稱為電流變器件。與傳統(tǒng)的產(chǎn)品相比,電流變器件具有重量輕、靈敏度高、響應(yīng)快、噪音小和能耗低等一系列突出的優(yōu)點,特別適用于用計算機控制的新一代機電產(chǎn)

15、品,因而在工業(yè)部門有廣泛的應(yīng)用前景。2.5.1 電流變減振器電流變減振器是目前有較好實驗結(jié)果的ER裝置。美國福特公司已有ER減振器出售,圖1是ER減振器的示意圖。在同心圓筒固定電極閥型減振器中,來源于ER效應(yīng)的阻力阻止了流體在同心圓筒中的流動,當活塞運動時,微機即可調(diào)節(jié)電極電壓以改變流體的粘度,隨后流體變稀薄而迅速復(fù)原。可見,減振器能適用于各種車輛和各種工作環(huán)境的需要。 電流變閥門 電流變閥門的原理是:ERF在靜止的管道中流動,控制電壓改變流體的粘度,從而實現(xiàn)控制流動速度的目的。目前,ER閥門有多種設(shè)計,圖2是一種ER閥門的示意圖。無電場時,ERF可以從鋸齒型狹縫之間的通道中通過;高電場下,通道中的流體固化,ERF不能通過,起到開關(guān)的作用。3 結(jié) 語本世紀是液壓技術(shù)從興起到不斷發(fā)展的成熟時代。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展,它已經(jīng)不再僅僅充當一種傳動方式,而更多地作為一種控制手段,充當了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制對象之間的橋梁,成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段和環(huán)節(jié)。電液控制系統(tǒng)的發(fā)展是與控制策略的最新發(fā)展密切相關(guān)的。由于電液控制系統(tǒng)往往是復(fù)雜的非線性系統(tǒng),嚴格意義上講還是時變的。為了獲得高精度、高響應(yīng)、高可靠性以及好的魯棒性,必須有與之相適應(yīng)的控制策略。多年來,從傳統(tǒng)的PID