数字技术在液压系统中的应用

作者：华中科技大学 陈彬 易孟林

欢迎访问e展厅 展厅 6 液压元件/液力元件展厅 蓄能器, 液压缸, 油缸, 液压泵/泵站, 气液增压缸, ... 一、引言 从20世纪90年代开始，人类已进入了数字化、信息化、知识化时代。“计算机不再只和计算有关，它决定我们的生存”，尼葛洛庞帝的这句名言正是数字化时代的一个很好的表述。 数字技术的数学基础——离散数学、逻辑数学等，早在17、18世纪就已经出现。但是发展成为数字技术并付诸实用，则是在微电子技术和器件的发展之后。20世纪60年代是以使用电子管为主的时期，这时要在液压系统中大量采用数字技术是有困难的，主要是因为设备庞大、功率损耗很多，系统可靠性和稳定性也不易满足要求。随着半导体器件、集成器件和超大规模集成器件的出现， 数字技术在液压系统中的应用迅速而又普遍地发展起来。 近几年，由于微型计算机的发展和提高，特别是单板机、单片机低廉的价格，为液压系统的数字化提供了必要的条件，使数字技术已应用于液压的诸多方面，并且还不断地在开拓着新的应用领域。数字技术在液压系统的应用主要在直接数字控制（DDC）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助测试（CAT）等方面。 二、数字液压元件 为了能使液压系统实现高速、高效及高可靠性，需研制将电信号转换为液压输出的且性能好的数字元件。这种数字液压元件通过把电子控制装置安装于传统阀、缸或泵内，并进行集成化处理（如把传感器集成于液压缸的活塞杆上），形成了种类繁多的数字元件，如数字阀、数字缸、数字泵等，由数—模转换元件直接与计算机相连，利用计算机输出的脉冲数和频率来控制电液系统的压力和流量。 （一）数字控制阀 液压系统中采用的数字控制阀可分为模拟式阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀等类型。 模拟式阀需要进行数模和模数的反复转换，也常采用脉宽调制式控制，是一种间接式的数字控制。 组合式数字阀是由成组的普通电磁阀和压力阀或流量阀组成的数字式压力或流量阀。 电磁阀接受由微机编码的经电压放大后的二进制电压信号，省去了昂贵的 D/A 转换装置。 步进式数字阀是采用步进电动机作为电—机械转换元件，将输入信号转换为与步数成比例的阀输出信号，这类阀具有重复精度高、无滞环、无需采用D/A转换和线性放大器等优点，但由于它的响应速度慢，对于要求快速响应的高精密系统，需要采用模拟量控制方式。 快速开关阀采用脉冲调制法来达到流量控制的目的。 产生脉冲调制法有如下几种：控制脉冲宽度的脉宽调制法（PWM），控制脉冲交变频率的脉冲频率调制法（PFM），脉冲数调制法（PNM），控制脉冲振幅的脉冲振幅调制法（PAM），以及用1或0将PNM的脉冲数分段并符号化的脉冲符号调制法（PCM）等，而开关阀常用时间比率式脉宽调制的方法。 （二）数字液压执行元件 数字液压缸是增量式数字控制电液伺服元件，即一种将控制步进电动机的电信号转换为机械位移的转换元件。步进电动机可以采用微计算机或可编程控制器（PLC）进行控制。其工作原理是微机发出控制脉冲序列信号，经驱动电源放大后驱动步进电动机运动；微机通过控制脉冲来控制步进电动机的转速，从而就控制了电液步进液压缸的运动。电液步进液压缸的位移与控制脉冲的总数成正比；而电液步进液压缸的运动速度与控制脉冲的频率成正比。 数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件，由步进电动机和液压扭矩放大器组成，其输出扭矩可达几十至上百 N·m，是普通步进电动机的几百至一千倍。其中，液压扭矩放大器是一个直接反馈式液压伺服机构，由四边滑阀、液压马达和反馈机构组成。其工作原理是当步进电动机在输入脉冲的作用下转过一定的角度时，经齿轮带动滑阀的阀芯旋转，由于液压马达此时尚未转动，因此使滑阀的阀芯产生一定的轴向位移，阀口打开，压力油进入马达使马达转动，同时反馈螺母的转动使滑阀的阀芯退到零位，马达停止运动、如果连续输入脉冲，电液步进马达即按一定的速度旋转，改变输入脉冲的频率即可改变马达的转速。 还有一种新型的液压控制元件——数字化的电液集成块，以此作为基本元件构成的电液集成控制系统在电控功率上与微机输出易于匹配，且成本低。因此，使得液压控制系统广泛采用微机控制成为可能。其数字控制系统兼有电气系统对信号检测、处理快捷方便，计算机控制方式灵活，液压控制功率大、结构紧凑、响应快等多重优点、 三、液压系统的数字仿真与（CAD） 液压系统的计算机辅助设计是随电子数字计算机的高速发展而发展起来的一门新兴技术，简称CAD技术。CAD技术包括建模、仿真、优化、设计和绘图等。它是利用计算机来辅助设计人员设计较为复杂的控制系统的一种新方法， 它不仅可使控制系统的设计周期大为缩短，并且可以利用计算机仿真技术，更为方便地进行各种方案的分析比较，从而获得最优的设计方案，提高设计水平。液压系统的数字仿真和设计应用在以下几个方面。 1．从数学模型出发，对已有的液压系统进行仿真研究，通过不断修改数学模型和改变仿真参数，使仿真更接近于实物实验结果。从而可以比较仿真结果与实验结果的差别，来验证理论的准确程度，并将确定的数学模型作为系统的理论依据，有助于进一步的研究和开发。 2．在实际的应用系统调试时，通过仿真实验，可以确定调整参数，提供系统调试的理论依据，从而缩短调试周期和避免损坏设备。 3．对于新设计的系统，通过仿真验证系统控制方案的可行性，研究系统结构参数对动态性能的影响，由此获得最佳的控制方案和最优的系统结构参数。 虚拟样机技术的逐渐成熟，为系统的数字化设计提供了强有力的工具和手段。运用这项技术，一方面可以节约人力和资金，降低产品成本，避免不必要的浪费，另一方面也可以缩短设计周期，并提供设计质量可靠的系统，同时可供客户直接浏览样机运行情况。其数字化的特征表现在产品开发过程中的不同阶段， 直至成品出现之前，都是以数字化方式存在，称之为产品的数字化模型；在产品开发过程中，开发过程的管理采用数字化的方式， 开发网络的任务是以数字化方式确定和分配的；在产品设计制造的全生命周期中，同一阶段或不同阶段之间，如设计单位内部或设计与制造单位之间，产品信息的交流采用数字化方式，基于数字化模型实现无纸化设计。 四、计算机辅助测试（CAT） 随着液压传动装置对液压元件的技术特性、技术参数的测试要求越来越高，传统的测试方法显得不够完善。为提高其测试精度，加快测试速度，更快地为装备提供安全。可靠的依据，就需要设计较完善的液压元件计算机辅助测试技术。 （一）有关静态特性的测试技术 CAT 简化了静态特性的测试系统，操作方便，同时在对液压元件的额定流量（大流量）和泄漏流量（小流量）测试时，将测频法（对大流量的测试）与测周法（对小流量的测试）结合起来，进行宽范围的流量测试。另外，由于光栅传感器采用脉冲量；分辨率高、抗干扰能力强，也提高了系统的测试精度，用光栅传感器测量流量的装置，可实现静态特性的流量测试。 （二）有关动态特性的测试技术 对液压元件的动态特性测试一直是测试领域的重要课题之一。在动态测试中，要求测试系统硬件（如传感器。放大器等）对信号的响应速度快，对信号的发生和采集有同步要求；是动态性能测试中的难点。CAT可采用自适应寻优正弦信号测试方法测试元件的动态特性；或采用小波消噪方法。对测量过程中的高频噪声进行了去噪处理，提高了测试结果的精确性。以及以性能先进的VXI总线仪器为主要测试设备组成液压元件动态特性测试系统。具有高速、高精度、易组建，易扩展，易更新换代等特点。 利用伪随机信号的谱分析法在阀的某一个工作点附近进行测试，不但避免了非线性的影响，而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试。 （三）综合性能的测试技术 利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统； 实现了液压元件动、静态特性的自动测试。采用虚拟仪器技术VICAT系统。产生低频的三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要，产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要；两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口，对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大的作用。 五、结论 数字技术的飞速发展，极大地带动液压行业开辟了诸多新兴的研究领域。为了实现信号检测、处理快捷方便，灵活可靠，结构紧凑、响应快等，对已有的液压元件通过模拟流量控制或脉冲流量控制的方式，组成数字液压元件，实现计算机直接或间接控制系统的压力和流量；对于新设计的系统，通过仿真验证系统控制方案的可行性，研究系统结构参数对动态性能的影响；或运用虚拟样机技术，使数字化模型实现无纸化设计；在液压系统的性能测试方面，利用计算机和相关软件，实现了元件的动、静态特性的自动测试，减少了元件的测试误差和周期，有利于液压产品的开发和维护。(end)

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