關(guān)鍵詞：液壓數(shù)字技術(shù)，

數(shù)字技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展。從20世紀(jì)90年代開始，人類已進入了數(shù)字化、信息化、知識化時代。數(shù)字技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——離散數(shù)學(xué)、邏輯數(shù)學(xué)等，早在17、18世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)。但是發(fā)展成為數(shù)字技術(shù)并付諸實用，則是在微電子技術(shù)和器件的發(fā)展之后。20世紀(jì)60年代是以使用電子管為主的時期，這時要在液壓系統(tǒng)中大量采用數(shù)字技術(shù)是有困難的，主要是因為設(shè)備龐大、功率損耗很多，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性也不易滿足要求。隨著半導(dǎo)體器件、集成器件和超大規(guī)模集成器件的出現(xiàn)， 數(shù)字技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用迅速而又普遍地發(fā)展起來。

 近幾年，由于微型計算機的發(fā)展和提高，特別是單板機、單片機低廉的價格，為液壓系統(tǒng)的數(shù)字化提供了必要的條件，使數(shù)字技術(shù)已應(yīng)用于液壓的諸多方面，并且還不斷地在開拓著新的應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字技術(shù)在液壓系統(tǒng)的應(yīng)用主要在直接數(shù)字控制（DDC）、計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助測試（CAT）等方面。

二、數(shù)字液壓元件

為了能使液壓系統(tǒng)實現(xiàn)高速、高效及高可靠性，需研制將電信號轉(zhuǎn)換為液壓輸出的且性能好的數(shù)字元件。這種數(shù)字液壓元件通過把電子控制裝置安裝于傳統(tǒng)閥、缸或泵內(nèi)，并進行集成化處理（如把傳感器集成于液壓缸的活塞桿上），形成了種類繁多的數(shù)字元件，如數(shù)字閥、數(shù)字缸、數(shù)字泵等，由數(shù)—模轉(zhuǎn)換元件直接與計算機相連，利用計算機輸出的脈沖數(shù)和頻率來控制電液系統(tǒng)的壓力和流量。

1.         數(shù)字控制閥

液壓系統(tǒng)中采用的數(shù)字控制閥可分為模擬式閥、組合式數(shù)字閥、步進式數(shù)字閥及高速開關(guān)閥等類型。

模擬式閥需要進行數(shù)模和模數(shù)的反復(fù)轉(zhuǎn)換，也常采用脈寬調(diào)制式控制，是一種間接式的數(shù)字控制。

組合式數(shù)字閥是由成組的普通電磁閥和壓力閥或流量閥組成的數(shù)字式壓力或流量閥。 電磁閥接受由微機編碼的經(jīng)電壓放大后的二進制電壓信號，省去了昂貴的 D/A 轉(zhuǎn)換裝置。

步進式數(shù)字閥是采用步進電動機作為電—機械轉(zhuǎn)換元件，將輸入信號轉(zhuǎn)換為與步數(shù)成比例的閥輸出信號，這類閥具有重復(fù)精度高、無滯環(huán)、無需采用D/A轉(zhuǎn)換和線性放大器等優(yōu)點，但由于它的響應(yīng)速度慢，對于要求快速響應(yīng)的高精密系統(tǒng)，需要采用模擬量控制方式。

快速開關(guān)閥采用脈沖調(diào)制法來達到流量控制的目的。 產(chǎn)生脈沖調(diào)制法有如下幾種：控制脈沖寬度的脈寬調(diào)制法（PWM），控制脈沖交變頻率的脈沖頻率調(diào)制法（PFM），脈沖數(shù)調(diào)制法（PNM），控制脈沖振幅的脈沖振幅調(diào)制法（PAM），以及用1或0將PNM的脈沖數(shù)分段并符號化的脈沖符號調(diào)制法（PCM）等，而開關(guān)閥常用時間比率式脈寬調(diào)制的方法。

2.         數(shù)字液壓執(zhí)行元件

數(shù)字液壓缸是增量式數(shù)字控制電液伺服元件，即一種將控制步進電動機的電信號轉(zhuǎn)換為機械位移的轉(zhuǎn)換元件。步進電動機可以采用微計算機或可編程控制器（PLC）進行控制。其工作原理是微機發(fā)出控制脈沖序列信號，經(jīng)驅(qū)動電源放大后驅(qū)動步進電動機運動；微機通過控制脈沖來控制步進電動機的轉(zhuǎn)速，從而就控制了電液步進液壓缸的運動。電液步進液壓缸的位移與控制脈沖的總數(shù)成正比；而電液步進液壓缸的運動速度與控制脈沖的頻率成正比。

數(shù)字式液壓馬達是增量式數(shù)字控制電液伺服元件，由步進電動機和液壓扭矩放大器組成，其輸出扭矩可達幾十至上百 N·m，是普通步進電動機的幾百至一千倍。其中，液壓扭矩放大器是一個直接反饋式液壓伺服機構(gòu)，由四邊滑閥、液壓馬達和反饋機構(gòu)組成。其工作原理是當(dāng)步進電動機在輸入脈沖的作用下轉(zhuǎn)過一定的角度時，經(jīng)齒輪帶動滑閥的閥芯旋轉(zhuǎn)，由于液壓馬達此時尚未轉(zhuǎn)動，因此使滑閥的閥芯產(chǎn)生一定的軸向位移，閥口打開，壓力油進入馬達使馬達轉(zhuǎn)動，同時反饋螺母的轉(zhuǎn)動使滑閥的閥芯退到零位，馬達停止運動、如果連續(xù)輸入脈沖，電液步進馬達即按一定的速度旋轉(zhuǎn)，改變輸入脈沖的頻率即可改變馬達的轉(zhuǎn)速。

還有一種新型的液壓控制元件——數(shù)字化的電液集成塊，以此作為基本元件構(gòu)成的電液集成控制系統(tǒng)在電控功率上與微機輸出易于匹配，且成本低。因此，使得液壓控制系統(tǒng)廣泛采用微機控制成為可能。其數(shù)字控制系統(tǒng)兼有電氣系統(tǒng)對信號檢測、處理快捷方便，計算機控制方式靈活，液壓控制功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快等多重優(yōu)點。

三、液壓系統(tǒng)的數(shù)字仿真與（CAD）

    液壓系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計是隨電子數(shù)字計算機的高速發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，簡稱CAD技術(shù)。CAD技術(shù)包括建模、仿真、優(yōu)化、設(shè)計和繪圖等。它是利用計算機來輔助設(shè)計人員設(shè)計較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)的一種新方法， 它不僅可使控制系統(tǒng)的設(shè)計周期大為縮短，并且可以利用計算機仿真技術(shù)，更為方便地進行各種方案的分析比較，從而獲得最優(yōu)的設(shè)計方案，提高設(shè)計水平。液壓系統(tǒng)的數(shù)字仿真和設(shè)計應(yīng)用在以下幾個方面。

1.         從數(shù)學(xué)模型出發(fā)，對已有的液壓系統(tǒng)進行仿真研究，通過不斷修改數(shù)學(xué)模型和改變仿真參數(shù)，使仿真更接近于實物實驗結(jié)果。從而可以比較仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的差別，來驗證理論的準(zhǔn)確程度，并將確定的數(shù)學(xué)模型作為系統(tǒng)的理論依據(jù)，有助于進一步的研究和開發(fā)。

2.         在實際的應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試時，通過仿真實驗，可以確定調(diào)整參數(shù)，提供系統(tǒng)調(diào)試的理論依據(jù)，從而縮短調(diào)試周期和避免損壞設(shè)備。

3.         對于新設(shè)計的系統(tǒng)，通過仿真驗證系統(tǒng)控制方案的可行性，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)性能的影響，由此獲得最佳的控制方案和最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

虛擬樣機技術(shù)的逐漸成熟，為系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計提供了強有力的工具和手段。運用這項技術(shù)，一方面可以節(jié)約人力和資金，降低產(chǎn)品成本，避免不必要的浪費，另一方面也可以縮短設(shè)計周期，并提供設(shè)計質(zhì)量可靠的系統(tǒng)，同時可供客戶直接瀏覽樣機運行情況。其數(shù)字化的特征表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)過程中的不同階段， 直至成品出現(xiàn)之前，都是以數(shù)字化方式存在，稱之為產(chǎn)品的數(shù)字化模型；在產(chǎn)品開發(fā)過程中，開發(fā)過程的管理采用數(shù)字化的方式， 開發(fā)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是以數(shù)字化方式確定和分配的；在產(chǎn)品設(shè)計制造的全生命周期中，同一階段或不同階段之間，如設(shè)計單位內(nèi)部或設(shè)計與制造單位之間，產(chǎn)品信息的交流采用數(shù)字化方式，基于數(shù)字化模型實現(xiàn)無紙化設(shè)計。

四、計算機輔助測試（CAT）

隨著液壓傳動裝置對液壓元件的技術(shù)特性、技術(shù)參數(shù)的測試要求越來越高，傳統(tǒng)的測試方法顯得不夠完善。為提高其測試精度，加快測試速度，更快地為裝備提供安全?？煽康囊罁?jù)，就需要設(shè)計較完善的液壓元件計算機輔助測試技術(shù)。

            1.           有關(guān)靜態(tài)特性的測試技術(shù)

 CAT 簡化了靜態(tài)特性的測試系統(tǒng)，操作方便，同時在對液壓元件的額定流量（大流量）和泄漏流量（小流量）測試時，將測頻法（對大流量的測試）與測周法（對小流量的測試）結(jié)合起來，進行寬范圍的流量測試。另外，由于光柵傳感器采用脈沖量；分辨率高、抗干擾能力強，也提高了系統(tǒng)的測試精度，用光柵傳感器測量流量的裝置，可實現(xiàn)靜態(tài)特性的流量測試。

            2.           有關(guān)動態(tài)特性的測試技術(shù)

對液壓元件的動態(tài)特性測試一直是測試領(lǐng)域的重要課題之一。在動態(tài)測試中，要求測試系統(tǒng)硬件（如傳感器。放大器等）對信號的響應(yīng)速度快，對信號的發(fā)生和采集有同步要求；是動態(tài)性能測試中的難點。CAT可采用自適應(yīng)尋優(yōu)正弦信號測試方法測試元件的動態(tài)特性；或采用小波消噪方法。對測量過程中的高頻噪聲進行了去噪處理，提高了測試結(jié)果的精確性。以及以性能先進的VXI總線儀器為主要測試設(shè)備組成液壓元件動態(tài)特性測試系統(tǒng)。具有高速、高精度、易組建，易擴展，易更新?lián)Q代等特點。

利用偽隨機信號的譜分析法在閥的某一個工作點附近進行測試，不但避免了非線性的影響，而且可以在試驗信號幅值很小的情況下完成在線測試。

            3.           綜合性能的測試技術(shù)

利用計算機和相關(guān)軟件建立的液壓元件特性測試系統(tǒng)； 實現(xiàn)了液壓元件動、靜態(tài)特性的自動測試。采用虛擬儀器技術(shù)VICAT系統(tǒng)。產(chǎn)生低頻的三角波、正弦波、鋸齒波等用于靜態(tài)特性實驗需要，產(chǎn)生隨機信號、正弦掃頻信號用于動態(tài)特性實驗需要；兩路模擬量輸出和四路模擬量輸入等接口，對提高測試精度、減少測試時間、減輕實驗人員負擔(dān)無疑起到了巨大的作用。

五、液壓數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展實例

(一)       新型數(shù)字控制流量閥的研究

            1.           引言

電液式恒應(yīng)力壓力試驗機主要用于材料抗壓強度的測量，抗壓試驗要求試驗機必須具備恒應(yīng)力加載的能力，并且要求工作液壓缸從零壓開始均勻加載，對系統(tǒng)的控制精度要求很高，尤其對系統(tǒng)的流量脈動和壓力脈動要求更高。針對壓力試驗機液壓控制系統(tǒng)的上述要求，我們設(shè)計了一種試驗機專用的數(shù)字控制流量閥，該閥由一只節(jié)流閥和一只等差減壓閥組合而成(如圖1所示)，通過調(diào)整節(jié)流閥的輸出流量來控制液壓缸的輸出壓力，取得了非常好的效果。節(jié)流閥為三通轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu)，采用等差減壓閥對節(jié)流口進行補償，不僅提高了流量的控制精度，還起到消除系統(tǒng)壓力脈動的作用。該閥以二相混合式步進電機為電-機械轉(zhuǎn)換元件，針對試驗機的特點，專門設(shè)計了步進電機的連續(xù)細分控制技術(shù)，實現(xiàn)了直接數(shù)字方式控制，消除了閥的滯環(huán)，提高了控制精度和抗干擾能力。

            2.           結(jié)構(gòu)原理

圖2所示為閥的結(jié)構(gòu)原理圖,該閥由步進電機、齒輪傳動機構(gòu)節(jié)流閥（主閥）和等差減壓閥（先導(dǎo)閥）組成。傳動機構(gòu)由一對齒輪組成，傳動比i=6，設(shè)計這樣的結(jié)構(gòu)，不僅解決了步進電機與主閥閥芯直接連接時同軸度的要求，減小了加在電機上的有效負載轉(zhuǎn)矩，保證了電機的輸出特性，同時還有效地減小了閥芯的位置誤差，提高了控制精度。

主閥為三通轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu)，考慮到徑向力平衡關(guān)系，設(shè)計中采用了對稱開口結(jié)構(gòu)，在閥芯上開有一對與泵出口相通的P口和一對與油箱相通的T口，在閥套上開有一對與工作液壓缸相通的A口。先導(dǎo)閥采用滑閥式全開口結(jié)構(gòu)，有效地降低了系統(tǒng)的壓力脈動，提高了系統(tǒng)壓力補償?shù)木?，先?dǎo)閥前腔與主閥P腔相通，后腔與主閥A腔相通。當(dāng)主閥閥芯處于零位時，節(jié)流閥的A口與T口、A口與P口均處于截止?fàn)顟B(tài)，此時先導(dǎo)閥的閥口打開，泵的輸出流量通過先導(dǎo)閥流回油箱。當(dāng)步進電機從零位開始順時針進給，P口與A口導(dǎo)通，同時，先導(dǎo)閥開始工作，步進電機帶動主閥閥芯調(diào)節(jié)主閥閥口的過流面積，通過控制輸出流量來控制液壓缸負載腔的壓力。當(dāng)步進電機從零位開始逆時針進給，P口與T口導(dǎo)通，泵的輸出流量直接通過T口回油箱，此時先導(dǎo)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。主閥在小開口區(qū)域設(shè)計了非線性開口，提高了閥零位附近小流量區(qū)域的控制精度。當(dāng)主閥處于工作位置時，先導(dǎo)閥的壓力補償功能，使得閥口的過流流量不受負載變化的影響，保證了主閥節(jié)流口過流面積和輸出流量的線性關(guān)系。

            3.           步進電機的控制原理

利用一種基于PWM的多倍細分技術(shù)，實現(xiàn)了步進電機輸出角位移的連續(xù)跟蹤控制，該控制算法被固化在步進電機控制器中。

在步進電機的控制中，在每次輸入脈沖切換時，如果只改變對應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則轉(zhuǎn)子相應(yīng)的每步轉(zhuǎn)動也只會是原有步距角的一部分，額定電流分成多少個級別進行切換，轉(zhuǎn)子就以多少步來完成原有的步距角。因此，通過控制繞組中電流的數(shù)值就可以調(diào)整電機步距的大小，也就可以把步距角分成若干細分步數(shù)來完成。

步進電機細分后的步距角：

式中：N為細分步數(shù)；為步進電機步距角。

第i周期的輸入角位移與第i-1周期的輸入角位移之間的關(guān)系可表示為：

　從上式可以看出，步進電機轉(zhuǎn)子兩個周期之間的輸出角位移可以通過完成個步距角和個細分步數(shù)來實現(xiàn)。

利用這個方法，不僅提高了步進電機的輸出精度，獲得步進電機角位移的連續(xù)輸出，而且還不降低步進電機的響應(yīng)頻率。

圖3為控制程序設(shè)計框圖。為了保證主閥在初始位置始終處于零位，每次控制器開機時即自動對閥芯進行初始化，此時閥芯處于零位，對應(yīng)的步進電機也處于零位，等待讀取輸入角位移信號。

當(dāng)?shù)谝粋€周期的信號送到后，可以得到與零位比較后的m1和n1，當(dāng)m1≠0時，首先送出m1，然后送出n1，當(dāng)m1=0時，直接送出n1，第i個周期與第i-1個周期的情況也是一樣。

            4.           閥的靜態(tài)特性

圖4所示為閥的流量-壓力特性曲線，圖4a為閥在小流量工作區(qū)域的流量-壓力特性曲線，圖4b為閥在大流量工作區(qū)域的流量-壓力特性曲線，從試驗曲線可以看出,該閥具有較好的抗負載變化能力，具有非常小的穩(wěn)定流量(8 mL/min)。

圖5為閥的輸入輸出特性，圖5a為不帶齒輪傳動機構(gòu)間隙補償功能的輸入輸出曲線，圖5b為帶間隙補償?shù)妮斎胼敵銮€。

從圖5中可以看出，在小流量區(qū)域,其流量呈非線性變化，這主要是由于在該工作區(qū)域，閥口為圓弧形所致。從圖5a中可以看出，在大流量區(qū)域,閥的輸入輸出曲線明顯存在滯環(huán)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因為在閥的齒輪傳動機構(gòu)中存在間隙，圖5b為進行齒輪間隙補償后閥的輸入輸出曲線。

            5.           性能特點和技術(shù)參數(shù)

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移信號的機電元件，頻響特性高，可靠性好，其步距角不受各種干擾的影響，且具有誤差不長期積累的特點采用步進電機作為驅(qū)動元件，與傳統(tǒng)的模擬量控制元件相比，具有重復(fù)精度高、無滯環(huán)和直接數(shù)字控制等特點。同時，在該閥的設(shè)計中還引入了以下控制概念：

1)        零位初始化控制　在控制器打開電源的瞬間，節(jié)流閥閥芯自動到零位；

2)        斷電保護功能　在控制器突然斷電時，控制器中的蓄能元件在瞬間控制閥芯回零位；

3)        間隙補償功能　控制器內(nèi)部固化程序自動對傳動機構(gòu)中的間隙進行補償。

            6.           結(jié)論

研究表明，該閥采用直接數(shù)字方式控制，具有良好的流量特性和較高的頻響特性，完全能夠滿足恒應(yīng)力壓力試驗機要求。目前,該閥已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，有1500多套在全國各地使用。

(二)       伺服電機的直接數(shù)字控制

            1.           引言

伺服電機是一種受輸入電信號控制、并作快速響應(yīng)的電動機。實際使用時通常經(jīng)齒輪減速后帶動負載，在系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，因此伺服電機又稱執(zhí)行電動機。近年來，工業(yè)快速發(fā)展，伺服電機廣泛應(yīng)用于化工、光纖等工業(yè)領(lǐng)域。

伺服電機的直接數(shù)字控制，也就是控制方法中的DDC，它改變了常規(guī)的控制思路，不僅節(jié)約成本，而且提高了控制精度，能實現(xiàn)模擬量控制不能實現(xiàn)的控制要求。例如，實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，如復(fù)雜的積分控制，就可以方便地通過數(shù)字量控制來實現(xiàn)。隨著大型企業(yè)自動化程度越來越高，對伺服電機的要求也在提高，電機作為自動控制系統(tǒng)中的一類重要元件，其可靠性、精度和響應(yīng)快慢直接影響到控制系統(tǒng)的工作性能，是不容忽視的重要環(huán)節(jié)。因此，伺服電機的DDC有著很高的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

            2.           伺服電機的傳統(tǒng)控制方法

由于外部給定的電機速度為模擬量，常常需要A/D模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，伺服電機驅(qū)動器接收到數(shù)字信號后再控制電機運轉(zhuǎn)。這種傳統(tǒng)的控制伺服電機驅(qū)動器的方法，應(yīng)用時間長。但它的可靠性不高，存在一定程度的零漂。同時考慮到A/D模塊的費用，這種方法成本也就較高。

            3.           伺服電機的直接數(shù)字控制

伺服電機的直接數(shù)字控制就是直接利用工控機和驅(qū)動器通信，工控機通過串行通信將數(shù)字量傳送給伺服電機驅(qū)動器，從而達到控制電機運轉(zhuǎn)的目的。由于是數(shù)字信號直接控制，消除了零漂，可靠性得到了提高。而且，不需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，無需購買A/D模塊，降低了成本。目前許多廠家出產(chǎn)的伺服電機驅(qū)動器都配有通信端口及通信協(xié)議。通信協(xié)議簡單可靠，用戶可以方便地完成通信程序。這樣可直接在工控機上控制電機，根據(jù)工藝要求，方便地修改各種參數(shù)，從而改變電機速度等。

            4.           結(jié)語

1)        利用通訊控制，驅(qū)動器直接得到的是數(shù)字信號，不需要進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，節(jié)約了一個A/D塊，這種方法成本低。

2)        伺服電機的DDC的基本思想是直接采用數(shù)字量控制，可以徹底消除模擬量控制帶來的零漂影響，可靠性得到了很大的提高。

3)        在工控機上對驅(qū)動器進行控制，通訊時間最多需要80 ms。時間很短,驅(qū)動器接收到數(shù)據(jù)后可以馬上驅(qū)動電機，符合實際生產(chǎn)要求。

4)        根據(jù)廠家的實際工藝要求，在工控機上可以靈活地調(diào)整參數(shù)而且可以將電機控制得比傳統(tǒng)控制要好。通過通訊，可以人為地控制積分過程，很好地實現(xiàn)控制要求。

5)        伺服電機的DDC可以方便實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，通過模擬量控制是無法實現(xiàn)的。伺服電機的直接數(shù)字控制可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，控制效果好，提高了系統(tǒng)的可靠性、快速性，有很好的應(yīng)用前景。

六、結(jié)論

數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地帶動液壓行業(yè)開辟了諸多新興的研究領(lǐng)域。為了實現(xiàn)信號檢測、處理快捷方便，靈活可靠，結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快等，對已有的液壓元件通過模擬流量控制或脈沖流量控制的方式，組成數(shù)字液壓元件，實現(xiàn)計算機直接或間接控制系統(tǒng)的壓力和流量；對于新設(shè)計的系統(tǒng)，通過仿真驗證系統(tǒng)控制方案的可行性，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)性能的影響；或運用虛擬樣機技術(shù)，使數(shù)字化模型實現(xiàn)無紙化設(shè)計；在液壓系統(tǒng)的性能測試方面，利用計算機和相關(guān)軟件，實現(xiàn)了元件的動、靜態(tài)特性的自動測試，減少了元件的測試誤差和周期，有利于液壓產(chǎn)品的開發(fā)和維護。 

 關(guān)鍵詞：液壓數(shù)字技術(shù)，