电液控制工程的新趋势

机电一体化是国际公认的制造业发展方向，电液控制技术正是弱电控制和机械强大功率输出之间的理想放大环节。随着微电子技术、计算机技术、传感器技术等高新技术的快速发展，作为一种重要的接口器件，如电磁换向阀、伺服阀、比例阀、数字阀等，不断地得到完善、充实和更新。而作为最简单可靠的机电接口的电液控制技术也得到了迅速的发展。

工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电动机拖动，但伺服电动机惯量很大，限制了系统动态特性的提高。直到20世纪50年代初才出现了高速响应的永磁式力矩马达，50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的伺服系统。1958年美国勃莱克布恩等公布了他们在麻省理工学院的研究成果，并出版了著名的《液压气动控制》一书，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基础。20世纪60年代各种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以MOOG公司为代表的采用干式力矩马达和级间力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀的性能，电液伺服技术已日益成熟。电液伺服系统已逐步成为武器、航空、航天以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部分。20世纪60年代后期，由于人们对各类工艺过程进行了深入研究，对其精确数学模型有了比较深入的了解，因而对工艺过程控制提出了更高的要求。现代微电子集成技术的发展为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代化电子装备。于是，各类民用工程对电液控制技术的需求就显得更加迫切和广泛。但是，传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维修费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各类工业用户所接受，限制了其应用领域的扩大，而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求，因此人们渴望开发一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。这便是20世纪60年代以来工业伺服技术和电液比例技术得以迅速发展的背景。

进入21世纪，电液控制工程随着科技迅猛发展，通过不断地满足各种经济领域的新需要，使自身得到发展，总的发展方向是紧密与高新技术结合，特别是微电子技术、计算机技术、传感器技术等，使自身发展成为内涵更丰富的完整的综合自动化技术。

1.液电技术加速融合，发展成为机、电、液紧密结合的综合自动化技术

液电技术融合，已远远超出一般机电结合的含义，两者相辅相成，合而为一，成为一个不可分的整体。充分考虑到液压技术的特点，自行开发集液压、电子、传感器技术于一体的全新产品。这些新一代产品及其组成的系统兼备了电气和液压技术的双重优势。

1）正在研制的新一代低功耗（10mA以下）、高速电磁铁（响应时间降至2ms以内），以及数字式液压元器件，以期无需附加转换，实现直接与计算机接口，从而提高控制精度和工作可靠性，并使系统具备一定的智能判断功能。

2）已经商品化的内置位移传感器的液压缸，具有信号输出功能，可检测系统某些工作点的工况参数或执行机构的运动、动力参数，从而实现计算机控制、判断控制误差、实施高精度闭环控制、进行在线实时数据处理等控制要求。

3）泵-电动机完全合一的组件，这种动力组合是液电技术彻底融合的典型范例。它不是一般泵加电动机的简单整体结构形式，而是一种以新技术应用为基础的全新设计。因此，它在许多方面综合反映了电液技术的发展方向。

2.高度集成化，提高元器件功能密度

随着科技的飞速发展，市场对品种的需求越来越多样化，因此追随电子技术发展高功能密度的集成化器件，在出厂之前就安装调试就绪，确保优良的性能，使用户组成系统时对技术含量要求高的工作逐步向生产厂转移，尽量降低对其自身的技术要求。这样，不仅最大限度地方便了用户，而且有利于提高应用水平和加速拓展应用领域。

集成式多功能元器件有以下三个不同层次

（1）单功能元件的组合向多功能元件发展 如叠加阀块，它是改变分离式元件阀体外形，按功能需要组合成的集成式多功能元器件，是集成化的初级形式。又如，用于工程机械的闭式泵-马达系统的一种多功能阀，它能够完成单向补油、高压溢流、旁路和压力释放四种功能。其着眼点是功能核心部分阀芯的彻底改造，利用压力、压差、流量信号的变化，通过不同部分的相同运动来实现不同的功能。其外形类似单功能元器件，因此能使结构高度紧凑。

（2）集成器件子系统化 这是以具有代表性功能为目标而组成的集成化器件。它具有一定的功能灵活性，甚至包括能量转换元件泵或缸等，具有较强的通用性，使用户只需连上执行机构或动力源，就能组成性能优良的系统，极大地方便了用户。这种模块子系统化的集成器件，使得系统和元器件的界限日益模糊，也有利于提高用户的技术水平。如插装阀向集成控制块和功能扩展块的形式发展就是一例。又如，以泵为核心的动力源集成子系统、以液压马达或缸为核心的集成子系统、甚至包括电动机、泵、缸在内的、结构十分紧凑的整体式液压动力装置等，均以各具特色的形式逐步问世。

（3）强化电子部分，开发智能型一体化器件 集成电路的发展使得弱电控制部分逐步从控制柜中移出，包括A/D、D/A转换，整流、放大电路等，直接集成于液压元器件内，形成功率密度极高的一体化器件，便于直接与计算机接口。甚至把小型微处理器集成于泵控制电路中，在操纵指令和比例阀间加设智能电子器件，不仅可实现各种灵活的调节方式并使它们可以修正人为控制信号，实现合理分配功率，自动保持最佳工作状态，实现软起动和制动等附加智能功能。

3.发展轻小型器件和微型液压器件

鉴于航天、航空、潜艇、轿车、机器人、医疗器械等特殊应用部门对液压技术的需求不断增加，它们共同的特点是安装空间狭小，要求低附加质量、高功率密度、宽响应频带、快速度，只有大力发展轻、小、微型液压技术，才能满足这种对液压技术的挑战和苛求。

（1）提高小型器件的功率密度 如小型插装阀、小通径（6～10mm）螺纹式插装阀均已先后问世。插装阀原来只是用于大流量的一种阀类，如今已突破不小于16mm通径的界限，而且压力级别不断提高，有望达到50MPa以上。用少数几种零件就可组成结构紧凑、可靠性高的各种轻小型高功率密度的油路块，使用非常方便。(https://www.xing528.com)

（2）微型电液技术领域的开发 微型液压技术领域中的问题采用常规的结构和方式已不能解决，好比高密度的液压集成块或液压“晶体管”，它将面临结构、材料、工艺、装配、检验等一系列有待研究解决的新课题。例如，一种利用叠加阀板的新型油路技术，其最小通径为0.17mm，节流元件的节流面积仅为0.32cm²，显然工艺上需要依靠激光技术才能解决。与之相应的微型元器件均以崭新的面貌出现，如采用多层压电材料作驱动器的伺服阀，可获得5000Hz的响应；与液压缸结构、材质全然不同的柔性液压执行元件；以及流量仅有2.5mL/r的微型齿轮泵等。

4.串行通信现场总线技术为基础的第5代过程控制体系结构已达到实用化阶段

现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术3个不同领域结合的产物。现场总线为现场设备接口智能化、网络化、标准化和低成本提供了可能性。电液控制系统中采用基于现场总线技术的液压泵、阀单元具有的主要优势可归结为：节省硬件数量与投资；节省安装费用；用户具有系统集成的主动权，使系统集成过程中的主动性始终掌握在用户手中；提高了系统的准确性与可靠性；系统还具有设计简单，易于重构等优点。

液压系统要想成功地应用现场总线技术，必须选用公开、标准化、国际上广泛接受的现场总线系统。比较成熟且已得到广泛应用的通信总线有CANbus（CANO-pen和DeviceNet）、Profibus—DP、Lonworks、Interbus等，这些通信协议都基于ISO开放式互联网络（OSI，Open system interconnection）参考模型。其中，CANbus（CANopen和DeviceNet）、Profibus—DP通信协议是目前在高性能液压元件中应用较多的。总线标准描述的是数据交换机制，除此之外，对每个设备的功能和参数的需要做出统一的定义，以方便不同厂家的产品可以实现联网，这叫做设备协议。设备协议对同一类产品（如比例阀）中所有设备的功能和应用进行了定义。目前可用的设备协议是1997年4月德国机械设备制造商协会（VDMA）组织制订的Pro-file Fluid Power Technology，Proportional Valves and Hydrostatic Tramissions，现在成为CiA CANOpen协议中的关于液压比例阀/泵的设备协议DSP—408（Device Profile Fluid Power Technology，Proportional Valves and Hydrostatic Tramissions）。现场总线技术已开始进入商品化和实用化阶段。

5.从现场性控制向更高层次的遥控化、信息化控制发展

世界工程机械的主要供应商Sauoer-Danfoss就是这一技术的开拓者，也是这个发展趋势的典型代表，他们开发了电控液压动力转向系统Electronic Hydraulic Power Steering。这种新一代电液转向系统，其核心部分是将比例电控阀（即PPVE）与转向器的流量放大器相结合，形成的电控液压动力转向阀（EHPS阀）。该液压放大器可以同时接受两个信号（或输入），一个来自液压转向器（作为前置先导级），另一个可以来自电信号，诸如遥控手柄、远程电信号等。这两个信号所起的功能与作用是并联的，即不论哪一个信号进入流量放大器，都会响应所要求的转向功能。不过为了安全起见，液压的输入优先于比例电控阀的输入。EHPS阀加上电信号元件的输入部分和转向盘的传感器及转向车辆传感器，通过微处理器与相应软件形成PVE控制器，这就是电控液压动力转向系统。这种系统就完全具备了自动转向的功能，包括采用全球定位系统（GPS）来进行转向控制。EHPS系统的优越性表现在：比传统系统的侧向加速度减少75%以上；电控失效不会影响液控。这种系统具有转向盘与转向车轮的传感器以及由微处理器与转向软件组成的控制器来控制比例电控阀从而实现转向比可调，转向速度变化可以通过预先编程来实施，驾驶者可以根据不同的情况与路面条件及个人的意愿来改变转向特性；系统对可能的内泄进行补偿，这样就可以避免转向盘的漂移；在具有全球定位鉴别系统（DGPS）的情况下，该系统可以利用（GPS）来使车辆定位至米级以下甚至厘米级，通过卫星的自动转向就可实现。这种电控液压动力转向系统由于具有PVE与EHPS阀，使转向系统从手动进入了自动的发展阶段，能与卫星技术结合，使电液控制向信息化发展，同时提供了转向的安全性、可控性、舒适性和精确性。它适用于重载工程机械、农业机械以及建筑机械之中，像轮式装载机、自动卸载车、大型拖拉机、饲料收割机、联合收割机等。可以预料，EHPS转向系统将会得到越来越广泛的应用。

6.虚拟系统的出现

软件的发展使电液控制系统的功能不断增强，并已出现了软测量、软计算以及进一步的虚拟控制系统

集成式传感器和两路通信接口的液压件能实现与所有其他液压元件及主计算机的通信。所有传感器本身都存储了标定数据，控制器将下达和读取此标定数据，以获取其输出信息。元件的关键参数可以存储于其本身携带的只读存储器中。这种通用接口器件的开发实际上允许用户插接入控制系统任何种类的传感器。假如所有泵、马达、阀等元器件都装有各种必要的传感器和两路数据连接器，则不仅可实现各种功能的控制，而且还可不断监测各元件。中央计算机不断访问所有元件的当前特性，并且与标准特性比较，若显著超出，可发出必要的警报。在中央计算机中软件的不断开发，如逻辑运算判断各种频谱分析等，就可进一步实现液压系统的故障诊断。故障诊断的功能对一些大型复杂的以及出现故障造成停产等重大损失的系统是十分必要的。软测量、软计算、虚拟控制系统对一些很复杂的系统都是很有效的。

7.电液控制工程的应用范围不断拓展

电液控制工程在当今世界上关系国际民生的若干重大工程和设备及条件极端苛刻的工况中得到了成功的应用，现择其主要项目分述如下：

1）在当今世界上一些著名的大型工程和设备中，电液控制技术充当了不可替代的关键角色。这些大型系统通常需要对成千上万吨的巨大负载机型灵活可靠地控制，液压系统的驱动功率通常在600kW以上甚至达到7000kW，液压泵供油流量超过1000L/min甚至高达15000L/min，相应的系统所用关键元件规格巨大。例如，通常要采用规格NG40以上甚至NG160的二通插装阀，液压集成块的质量达到数吨之巨，相应的泵站油箱达到数万升之巨。世纪之交，我国迎来了世界水利史上罕见的三大水电工程（二滩、小浪底、三峡）的开发建设，其中都大规模地采用了电液比例和二通插装阀控制技术。长江三峡永久船闸是世界最大的双线连续五级船闸，采用特种防护和检测总计24支液压缸，全部液压泵站功率达到7000kW，采用了电液比例和二通插装阀控制技术。作为大型冶金设备的最典型成功应用的例子，1992年成都无缝钢管厂Φ177mm轧机的5套液压泵站和300多套集成块，全部采用自主研制的TJ/TG/TJK二通插装阀技术，至今在国际上仍然罕见。

2）水泥熟料冷却机由液压驱动系统组成的驱动器的工作条件很苛刻，是真正的灼热工况，当水泥熟料以大约1100℃的高温离开转炉之后，必须在最短的时间里将其冷却到大约100℃，要求每年365天不间断地工作，驱动系统为日产量5000t及8000t的转炉提供熟料冷却机炉箅的运动，每年有960万t水泥通过这些熟料冷却机。用于8000t设备上的熟料冷却机驱动系统装了带有电子信号反馈的（型号为4WRL）比例阀，通过阀块安装在型号CDH1 MP5160/110/150的液压缸上，由于省去了阀与液压缸之间的连接管道，所以阀的触发时间更短，控制更为准确。每个冷却机炉箅配备了两只液压缸，总共6只液压缸，行程为130mm，同步运行，以0.5mm的精度推动冷却机炉箅来回运动。液压缸的运行速度由压缩空气的压力信号闭环控制。此外，安装了4个容量各为35L的囊隔式充气蓄能器，以保证在每分钟25个双行程工作的系统中压力供给的稳定。用于阀的控制和诊断的SPS，以及特殊保护的测量装置，如位置传感器用来保证系统能够可靠的长期运行。整个驱动系统是由Rexroth公司提供给印度尼西亚的水泥生产厂Ptsemen Cibinong的三个加工厂的。

3）波兰特种设备制造厂生产的履带运输机TC2000，用来完成煤矿中长达几千米的传输带运输设备及安装在传送带的沉重的驱动单元移位时的整体搬运工作。其搬运质量达550t。借助自身大约200t的自重，TC2000可以自如地将上述传送带及设备“扛起”并搬运，而且可做到快捷、简单搬运，节约成本。其工作条件很恶劣，气温的波动和潮湿的气候加剧了危险的冷凝水的形成，对输送带的可靠运输和电器设备及控制技术都是严峻的挑战。Rexroth公司为这台搬运机设计了特殊的整套电液控制设备及驱动单元的液压油供给模块。TC2000由4台A6VM500液压马达驱动，每两台驱动一副履带。带有牢固的两点换挡的马达装置不仅提供了上坡时的巨大牵引力，而且也保证了在平地上的快速行进。这些马达由两台带有灵敏的比例控制阀的A4VG250泵提供液压油。

4）北京国家大剧院是一座世界上最吸引人的剧院，是北京的一颗明珠，它拥有三个舞台，可以容纳5700名观众欣赏喜爱的节目。其舞台技术设备是由力士乐公司提供的电液控制设备，总共有17只液压缸驱动15个平台和升降机，借助于它们能够不断地更换舞台布景，采用了久经考验的分散式控制器SYB2000控制一个周围超过50m的沉重舞台，以大于1r/min的速度自由转动。还采用了高可用率的MR—10数据总线技术进行实时控制。这套设备给导演提供了不断地变换舞台的新形式、颜色和棱面，并在完美的技术框架内实现其创新的设想。

5）海滨技术的研究。Rexroth公司为海尼斯研究室提供的波浪生成器系统，可以在23m×30m的大浅水池中，能够以长或短的浪顶，以及孤立浪在垂直方向上或倾斜向上生成规律的波浪或不规律的波浪，进而模拟恶劣气候变化下强烈海啸或者台风造成的巨浪冲击的港湾、海滨或沙滩的模型，为人类战胜这些自然灾害提供有力的防范措施。波浪生成器系统采用了力士乐的传动与控制技术。