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电液控制技术现状及发展趋势


问题探讨

电液控制技术现状及发展趋势
赵建军
(煤炭科学研究总院 太原分院 ,山西 太原  030006 )

摘   : 将近代电液控制与过去电液控制作了对比 , 并就近代电液控制的几种类型及先进性作了阐述 , 分 要 析了电液控制系统未来的发展趋势 。 关键词 : 电液控制 ; 集成化 ; 智能化 ; P I 控制

; 神经网络控制 ; 电流变液 D 中图分类号 : TH137     文献标识码 : B     文章编号 : 1005 Ο2798 (2006) 03 Ο0055 Ο03

   流体传动技术主要包括利用流体 (液体和气 体 )压力和流体动能进行能量传递的液压气动和液 力传动技术 。很多自动化生产工序 ,如机床 、 工程机 械、 、 汽车 矿山机械等不用液压元件和系统是难以实 现的 。随着传感技术 、 数字开环及闭环控制系统的 出现 ,液压传动已经发展成今天的电液传动技术 ,基 础元件的动态特性和精度取得了极大的改进 。如

开关定值控制阀 : 此类阀借助手动 、 机动 、 电磁 铁和控制压力油等控制方式启闭液流通路 , 定值控 制液流参量 。 伺服控制阀 : 此类阀根据输入信号及反馈信号 成比例地连续控制液压系统输出的液流参量 。伺服 控制阀又称为随动阀 , 具有很高的动态响应和静态 性能 ,但价格昂贵 , 抗污染能力差 , 主要用于控制精 度要求很高的场合 。 电液比例阀 : 电液比例阀的性能介于二类阀之 间 ,结构较伺服控制阀简单 , 价格较低且易于维护 , 它可根据输入的电信号连续地控制液流参量 , 满足 一般工业生产对控制性能的要求 。 液压泵和液压马达是液压系统中的能量转换设 备 ,前者是把电动机的机械能转换成液压能 ; 后者是 把液压能转换成机械能输出 ,执行所要求的动作 。 液压泵的发展趋势朝着高速化方向发展 , 提高 泵的转速的一个技术难点是摩擦副材料的耐磨性 能 ,希望耐磨材料有较高的允许摩擦功 。随转速的 提高 ,泵的工作流量将增大 。因此 ,泵的流道必须设 计制造的流畅 ,以保证小的流道阻力 ,维持较高的运 行效率 ,避免进口气蚀 。 为满足一般工业伺服系统精度不高 、 成本低 、 工 作可靠和维修方便的要求 , 液压伺服技术发展了电 液步进马达和电液比例控制 。电液步进马达是一种 数字式机电液一体化装置 , 基本核心是计算机与液 压马达的结合 。 113   液压系统的分类和组成 液压传动的设备 ,无论怎样复杂 ,总是由一些基 本回路和特殊回路组合而成 , 基本回路是用液压元
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阀、 变量泵 、 传感器和使用高效的数字集成电路 ,使闭 环控制在动态特性和静态精度上显示出极大优势。 50 年代左右 ,以反馈控制为主体的基于经典控 制理论的电液伺服系统得到快速发展 , 为工程控制 提供了精度高 、 响应快 、 大功率的技术手段 。 70 年 代末期 ,以可靠 、 、 、 价廉 节能 易维护并具有相当高精 度和动态响应特点为标志的电液比例控制技术迅速 崛起 。 80 年代以来 ,比例元件的设计原理进一步完 善 ,采用了多种形式的内反馈 、 动态反馈及电校正等 手段 ,使阀的精度 、 响应 、 稳定性都得到了大幅度提

高 ,稳态滞环减小到 3%左右 ,工作频宽可达 25 Hz。 近年来 , 计算机的飞速发展带来了控制领域的 革命 ,出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数 字式元件 ,以及以此为基础的脉宽调制 ( PWM ) 型电 液控制系统和数字增量控制 ( I C ) 型电液控制系 D 统 。它们从抗干扰性和适应复杂环境的能力以及控 制方式 、 控制策略上与传统的电液控制系统有着显 著不同 ,可以称之为近代电液伺服控制 。

1  液压元件和液压系统的技术现状
111   液压控制阀

液压控制阀按控制方式可分为 : 开关定值控制 阀、 伺服控制阀和电液比例阀 。

收稿日期 : 2006 Ο01 Ο18 作者简介 : 赵建军 (1963 - ) ,男 ,山西柳林人 ,高级工程师 ,从事设备大修及产品开发工作 。

112   液压泵和液压马达

件组成并能完成特定功能的油路结构 。随着现代工 业的发展 ,对液压技术提出了更高的要求 ,不仅要求 基本回路能够完成某项特定功能 , 还要求它们具有 安全可靠 、 、 节能 低噪声 、 无泄漏和维护简单等功能 。 基本回路和液压元件都在不断增加 、 演变和趋向更 加完善的境界 。 液压系统按采用控制阀的性质分类 , 可分为普 通液压传动系统 、 电液比例系统和电液伺服系统 。 普通液压系统中还可以根据它们采用阀的形式 分为滑阀型 、 二通插装阀型 、 球阀型等 。一般的液压 系统就是指普通开关式滑阀型的液压系统 , 由于液 压技术的发展 ,这类系统的阀的安装和组合形式是 多种多样的 。 电液比例控制系统和电液伺服控制系统基本构 成可以归纳如下 : 系统的指令及放大单元多采用电 气控制 ,其中 ,电 — 机械转换器有动圈式 、 动铁式电 磁元件和伺服电动机 、 步进电动机等 。它的功能是 将放大器输出的控制电流信号转换成机械控制信 号 —— — 力和位移 。液压转换及放大元件是各类开关 式、 比例式或伺服式阀 , 实际是一个功率放大单元 。 液压执行元件通常是液压缸或液压马达 。测量及反 馈元件将执行元件输出的动力参数或其它中间变量 加以检测并转换为反馈量 (电 、 液压 、 机械 ) 反馈到 电— 机械转换器的输出端 。 电液比例控制系统采用电液比例压力阀或比例 流量阀来替代普通液压系统中的多级调压回路或多 级调速回路 ,这样不仅简化了系统 ,而且可实现复杂 的程序控制及远距离信号传输 , 便于计算机控制 。 电液控制系统可分为闭环和开环两种 , 采用闭环控 制系统可提高执行元件输出参数的控制精度 , 或实 现特定的控制目标 。通常电液伺服控制系统采用闭 环控制 。由于电液比例控制系统对工作介质清洁度 无特殊要求 ,制造成本低 , 能量损失低 , 稳定和动态 控制特性足以满足大部分工程控制的要求 , 因此赢 得了比电液伺服系统更为广泛的应用领域 。 114   电液传动系统的介质应用 自从帕斯卡定理发明几百年来 , 由于液压油具 有防锈 、 润滑性能好 、 粘度大的优点 ,得以广泛应用 。 人们利用矿物油作液压系统的工作介质 , 创造了一 代又一代的由液压油传动与控制的各类主机系统 。 但是 ,液压油也给人类带来了生态环境的污染 。由 于自来水具有无污染 ,来源广泛 ,节省能源 ,安全性 , 难燃性等特性 ,是最具潜力的介质 。随着各种相关 科学的发展 ,“ 纯水液压技术 ” 的有关技术难点得到 解决 。因此如何利用纯水作为高压液压系统的工作
56 Coa l 3 /2006

介质的课题引起了人们普遍的关注 , 纯水液压传动 的研究已成为当今液压界的一大热点 。 纯水具备矿物性液压油所不具备的优点 : ① 纯 水价格低廉 ,来源广泛 , 无需运输仓储 ; ② 泄漏的纯 水无需回收 , 因此无环境污染 , 同时降低了维护费 用 ,而泄漏的矿物油极易污染环境 ; ③ 纯水的阻燃性 好、 安全性好 ,可在高温环境下安全工作 , 大大拓宽 了液压系统的应用领域 ; ④ 纯水的压缩系数小 ,压缩 损失比矿物性液压油降低 25%左右 ,可补偿一部分 由于泄漏增加而造成的容积损失 。 但纯水也存在着如下明显的缺点 , 这正是在研 究中需要加以克服的问题 : ① 粘度低 ,密封间隙中流 体流速加大 ,使漏损加大 ; ② 润滑性差 , 元件的寿命 缩短 ; ③ 纯水的运行范围是 3 ~50 ℃,比矿物性液压 油的范围窄的多 ; ④ 纯水具有气蚀性 、 腐蚀性 , 会使 材料表面产生复杂的物理化学反应 ,使之脆弱化 ; ⑤ 纯水中的氯化物浓度 、 、 酸性 硬度及细菌也会对元件 和系统产生影响 。 尽管用纯水液压传动存在着许多缺点 , 但是利 远远大于弊 。随着各种相关学科的发展 , 相信这些 缺点将会得到解决 。

2  电液控制技术的发展
从技术构成上 ,电液控制是集液压技术 、 微电子 技术 、 传感检测技术 、 计算机控制及现代控制理论等 众多学科于一体的高交叉性 、 高综合性的技术学科 , 具有显著的机电液一体化特征 。从元器件结构组成 上 ,往往是集传感器 、 控制放大器 、 执行器于一身 ,构 成集成化功能单元 , 而系统应用上则趋向于采用集 成单元来实现复合功能 。 212   智能化 无论从元件的开发研究 ,还是系统的构成 ,以机 敏材料为代表的智能材料的引入 , 传感检测技术的 不断进步 ,以及包括模糊理论 、 人工神经网络在内的 新的智能化控制策略与手段的不断成功运用 , 使得 系统及元件的自学习 、 自适应机能得到充分提高 ,当 代的电液控制技术越来越呈现出智能化的趋势 。 213  P I 控制的新发展 D 以经典控制理论为基础的 P I 控制 , 因其具有 D 结构简单易于实现的特点 , 至今在电液伺服控制中 仍有着广泛应用 。但传统的 P I 采用线性定常组合 D 方式 ,难于协调解决快速性和稳态特性之间的矛盾 , 在具有参数变化和外干扰情况下 , 其鲁棒性也不够 好 。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用
211   集成化

计算机的优势 ,对传统的 P I 控制进行改造后 ,形成 D 了自适应 P I 、 D 模糊 P I 、 D 智能积分 P I 和非线性 D P I 等新的控制方式 。 D 214   神经网络控制 (NNC ) 神经网络 (NN ) 是模拟人脑的信息处理和思维 决策过程而运行的网络系统 , 它具有能充分逼近任 意复杂的非线性关系 ,很强的鲁棒性和容错性 、 大规 模并行性以及学习 、 推理并能适应严重不确定系统 的动态特性等优点 , 因而近年在控制领域受到了广 泛关注并得到了迅速发展 。 215   电流变液的应用 电流变液 ( Electrorheological Fluid, 简称 ERF ) 由微米量级的固体颗粒 (分散相 ) 和不导电的液体 (连续相 ) 组成 , 其主要特征是 , 在电场作用下能实 与传统的产品相比 ,电流变器件具有重量轻 、 灵敏度 高、 响应快 、 噪音小和能耗低等一系列突出的优点 , 特别适用于用计算机控制的新一代机电产品 , 因而 在工业部门有广泛的应用前景 。 21511   电流变减振器 改变流体的粘度 , 随后流体变稀薄而迅速复原 。可 见 ,减振器能适用于各种车辆和各种工作环境的需 要。
图 1  固定电极阀型

电流变阀门的原理是 : ERF 在静止的管道中流 动 ,控制电压改变流体的粘度 ,从而实现控制流动速 度的目的 。目前 , ER 阀门有多种设计 , 图 2 是一种 ER 阀门的示意图 。无电场时 , ERF 可以从锯齿型 狭缝之间的通道中通过 ; 高电场下 ,通道中的流体固 化 , ERF不能通过 ,起到开关的作用 。

现液态向固态快速可逆的转化 , 其响应时间为毫秒 量级 。 ERF的这一特征使其在工业和技术上极具 应用前景 ,利用这一性质设计出的新一代的传动离 合器 、 、 阀门 减震器 、 制动器等可通称为电流变器件 。

本世纪是液压技术从兴起到不断发展的成熟时 代 。随着现代科学技术的飞速发展 , 它已经不再仅 仅充当一种传动方式 ,而更多地作为一种控制手段 , 充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁 ,成为现代控制工程中不可缺少的重要技术 手段和环节 。 电液控制系统的发展是与控制策略的最新发展 密切相关的 。由于电液控制系统往往是复杂的非线 性系统 ,严格意义上讲还是时变的 。为了获得高精 度、 高响应 、 高可靠性以及好的鲁棒性 , 必须有与之 相适应的控制策略 。多年来 ,从传统的 P I 控制 、 D 自 适应控制 ,到变结构控制 、 鲁捧控制 、 智能控制 ,诸多 新颖的控制手段得到了不断发展和完善 , 为电液控 制系统在各领域的不断推广使用奠定了基础 。
[责任编辑 : 傅   ] 晶

电流变减振器是目前有较好实验结果的 ER 装 置 。美国福特公司已有 ER 减振器出售 ,图 1 是 ER 减振器的示意图 。在同心圆筒固定电极阀型减振器 中 ,来源于 ER 效应的阻力阻止了流体在同心圆筒 中的流动 ,当活塞运动时 ,微机即可调节电极电压以

近日 , 全国首个煤及煤层气工程专业落户中国 地质大学 ,这个专业培养的人才 ,将很好地解决煤矿 安全人才紧缺的问题 。 中国地质大学在全国率先开设此专业 , 今年首 招 30 人 。该校资源学院负责人称 ,这些学生将来除 了从事煤层瓦斯治理和煤矿安全外 , 还具备勘探和 (李 东 ) 开发瓦斯的能力 。
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21512   电流变阀门

图 2  电流变液压阀示意

3    结 语

动态

   

中国地质大学

组建涉煤专业


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