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气压伺服及气液连动控制发展概况综述 |
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作者：邱志成 谈大龙 王宣银 |
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1、气动技术应用情况及研究和发展的重要性
随着科学技术的发展，自动控制技术已被广泛应用于工农业生产和国防建设。实现自动化的技术手段，在目前主要有两个：电气(电子)控制和流体动力控制。流体动力控制有三类：
(1) 液压控制，工作流体主要是矿物油。
(2) 气压控制，工作介质主要是压缩空气，还有燃气和蒸气。
(3) 射流技术，工作介质有气体也有液体，该技术在一些多管道的生产流程中得到应用。
气压伺服控制是以气体为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制的一门技术。气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、高效、工作可靠、寿命长、适应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰等一系列的优点而得到了迅速的发展。众多的报道表明，气动技术是实现现代传动和控制的关键技术，它的发展水平和速度直接影响机电产品的数量和水平，采用气动技术的程度已成为衡量一个国家的重要标志。
据资料表明，目前气动控制装置在自动化中占有很重要的地位，已广泛应用于各行业，现概括如下：
(1) 绝大多数具有管道生产流程的各生产部门往往采用气压控制。如：石油加工、气体加工、化工、肥料、有色金属冶炼和食品工业等。
(2) 在轻工业中，电气控制和气动控制装置大体相等。在我国已广泛用于纺织机械、造纸和制革等轻工业中。
(3) 在交通运输中，列车的制动闸、货物的包装与装卸、仓库管理和车辆门窗的开闭等。
(4) 在航空工业中也得到广泛的应用。因电子装置在没有冷却装置下很难在300℃～500℃高温条件下工作，故现代飞机上大量采用气动装置。同时，火箭和导弹中也广泛采用气动装置。
(5) 鱼雷的自动装置大多是气动的，因为以压缩空气作为动力能源，体积小、重量轻，甚至比具有相同能量的电池体积还要小、重量还要轻。
(6) 在生物工程、医疗、原子能中也有广泛的应用。
(7) 在机械工业领域也得到广泛的应用。
从气动的特点和应用情况可知，研究和发展气动技术具有非常重要的理论价值和实际意义。气动技术在美国、法国、日本、德国等主要工业国家的发展和研究非常迅速，我国于七十年代初期才开始重视和组织气动技术的研究。无论从产品规格、种类、数量、销售量、应用范围，还是从研究水平、研究人员的数量上来看，我国与世界主要工业国家相比都十分落后。为发展我国的气动行业，提高我国的气动技术水平，缩短与发达国家的差距，开展和加强气动技术的研究是很必要的。
2、电—气伺服控制的发展概况
气动伺服控制系统按其采用的电—气转换元件的不同可分为电—气比例伺服系统和电—气开关伺服系统。电—气比例伺服系统模拟信号控制的比例阀或伺服阀作电—气信号转换元件。这类系统控制精度高、响应较快，但伺服阀或比例阀造价昂贵，因而系统成本高，而且对工作环境要求严。
早在1956年，Shearer等人成功地将高压、高温气体作为工作介质的气动伺服机构应用于航天飞行器及导弹的姿态和飞行稳定控制中。由于空气压缩性大、粘度小、刚度低，对于低压系统很难用古典控制方法和模拟调节器实现精密伺服控制，因此，气动伺服控制长期停留在理论和实验阶段。1979年德国Aachen R.W工业大学W.Backe教授研制出的第一个气动伺服阀大大推进了气动伺服控制的发展。此后，德国、日本、美国等工业发达国家投入大量资金和人力成功地研制了各种规格的比例阀和伺服阀，以及高性能的气缸、气马达。随着高性能的电—气控制元件和执行元件的迅速发展，气动伺服控制技术的研究也取得了一定的成果。我国的周洪博士、陈大军博士对电—气比例/伺服系统及其控制策略进行了研究。此外，哈尔滨工业大学许耀铭教授承担国家高技术“863”计划自动化领域智能机器人主课题中的“电—气伺服系统及其电—气伺服器件的开发研究”，取得了一定的成果。
电—气开关/伺服系统采用数字信号控制的开关阀作电—气信号转换元件。这类系统成本低，对工作环境要求不高，且易于计算机控制；但获得宽频带、高精度比较困难。开关/伺服控制最早出现在液压系统中，Burrows最先将开关/伺服控制用于气动伺服机构中。八十年代初，T.Eun等人设计了一种新的气动开关伺服机构，并详细研究了该机构的稳定性和精度。以上的开关伺服机构都是通过简单的逻辑判断来反馈气缸位置，只能实现点到点(PTP)控制，而且精度很低。这期间，G.Belforate等人将机车制动技术引入气动机构，设计了一种带抱闸实现气缸在目标位置定位。这种气动开关伺服机构受负载等干扰的影响大，但定位后的刚度大，其定位精度约±0.3mm。
后来，日本的花房秀郎、原田正一等人用开关阀、节流阀的串并联实现气缸的分区控制，获得±0.4mm的定位精度。意大利的G.Belforate等人也对这种系统进行了研究，他采用的是无密封装置气缸和FESTO公司的开关阀、单向节流阀及FPC606微处理器等元件。理论上，这种控制能获得±0.0314mm定位精度，实际系统受间隙的影响，获得定位精度约±0.35mm。北京航空航天大学莫松峰博士用三个开关阀组成一个新的气动位置开关控制系统，实验结果表明，该系统具有实现简单、方便、成本低且性能好等优点。
以上的气动开关控制系统，尽管采用了位移传感器，但位移信号只是作为逻辑判断用，没有用来调节控制信号的大小，其本质上仍是开环控制，或者说是准闭环控制。因此，这种系统的特点是成本低、控制简单；但精度进一步提高受到限制。随着控制指标的提高，气动开关控制向脉冲调制的开关/伺服控制发展。脉冲调制方式有脉宽调制(PWM)、脉冲编码调制(PCM)、脉冲数调制(PNM)及脉频调制(PFM)等。
PWM控制原理是用一定周期Ts的脉冲信号驱动开关阀(见图1)，用控制信号控制脉冲宽度用控制信号控制脉冲宽度DITs(I=1，2，…，n)，即开关阀的关闭时间。因此，控制DI的大小宏观上等价于控制流过阀的介质流量。典型的气动PWM控制回路如图2所示。
图1 PWM控制原理
图2 典型气动PWM回路
PWM控制最初是美国的Stephen用在伺服阀组成的电液伺服系统。用PWM控制的伺服系统解决了温漂和卡紧现象，提高了稳定性和抗介质污染能力，放宽了制造公差；并易于直接与计算机接口实现数字控制。与此同时，随着开关阀的迅速发展，Goldstein提出用快速开关电磁阀代替昂贵的伺服阀。最先将PWM开关伺服控制引入系统的是日本的则次俊郎，他成功地将PWM电—气开关/伺服系统应用于机械手中，他获得的定位精度是±0.06mm。小山纪等人用二个开关阀实现广义PWM控制，获得±0.02mm的高精度。美国的Jing—Yih Lai等人以五自由度机器人的手臂为控制对象进行了PWM气动控制理论分析和实验研究。国内，哈尔滨工业大学刘庆和教授领导的课题组对气动PWM控制也进行了研究，获得了±0.09°的气马达转角位置精度。吴沛溶教授也对PWM控制气动系统作过研究，取得了一定的成绩。此外，北京理工大学的杨树兴、姚晓光对PWM控制系统理论和实验进行过研究。
脉冲编码(PCM)控制是把控制信号编为n位二进制信号来控制n个开关阀的开启和闭合。这n个开关阀的有效截面积(为方便叙述，本文所说的开关阀有效截面积都是指开关阀与其串联的接节流阀的综合节流面积)之间的关系为S0：S1：S2：…：Sn-1=1：2：4：…：2n-1。N个阀的开关状态组合数为2n，即可获得2n级不同的截面积。以图1～图3所示的气动系统来说明PCM控制原理及过程。
图3 气动PCM控制原理
PCM控制方式非常适合计算机直接数字控制，其控制原理和过程是：在每一个采样周期内，计算机将控制量的设定值与检测到的控制量进行比较，按照设计的控制规率，经判断、计算，发出一组二进制编码控制n个开关阀，得到不同的综合开口面积，从而控制气缸的气体流量，使气缸按要求运动。日本的中村最先将PCM控制技术用于液压控制。Hirohisa Tanaka对PCM液压控制系统也进行了研究，提出了用软件克服因开关阀的启闭时间不同造成流量波动。后来，则次俊郎第一个将PCM控制技术用于气动系统，并成功用PCM方式控制了英国Pendar公司的三自由度机器人，他获得的定位精度约±0.25mm。我国对气动PCM控制的研究是从90年代初开始的，主要的研究人员有哈工大刘庆和教授领导的课题组，山东轻工学院的宁舒。郑学明博士对Fuzzy-PI控制气动PCM位置系统进行了研究获得了±0.25mm的定位精度。王宣银博士首次提出变增益PCM控制，并利用自校正，自学习控制算法，获得了±0.18mm的定位精度。
3、气液连动的必要性及发展概况
但是，由于气体的压缩性大、粘度小、刚度低等因素，导致了气动运动的不平稳性以及气动定位的不准确性(即定位精度不高)。为了提高其定位精度及运动平稳性。又充分发挥气动的优点，故考虑引入不可压缩性(在低压下视之)的油作为介质，采用气液连动控制，提高系统的性能。
关于气液连动，最先应用的是气液阻尼缸，亦称之为油阻尼缸。它实际上是一种双作用双活塞缸，采用一根活塞杆将两活塞串联在一起。活塞的输出力是汽缸的推力(或拉力)与油缸阻力之差。油缸装在气缸的后面被气缸带动，其运动速度是靠调节节流阀的开度来调节的，如图4所示。
此外，还有用到气液转换器的回路，如图6所示的单向节流调速回路、图7所示的双向节流调速回路。气液转换器是将空气压转换为油压(增压比为1：1)的元件，可作为附件组入气液回路。使用它可消除一般气动回路中出现低速运动的爬行和不稳定现象，并可和各种气动元件组合使用。气液转换器的特点：
(1) 规格多，适应性强。例如日本达柯公司生产的气液转换器有48种规格，输出压力油的有效容积为40～27000cm3，常用工作压力为0.3～0.7MPa，只要调节气动减压阀，就能获得相应的压力变化。反应速度快，能满足不同用户的要求；
(2) 由于工作油温稳定，空气不会混入油中，效率高，因而能获得稳定的移动；
(3) 与液压相比，不需复杂、庞大的泵站和冷却系统等，价格便宜。又因无泵引起的脉动，油温稳定，可用于精密切割，精密稳定进给；
(4) 与液压阻尼缸比较，气液转换器和油缸分离，可放在任意位置，操作方便，自由度高。
另外，还有气液增压的辅助回路，如图5所示。气液增压装置在生产实践中，特别是在机床的液压夹具中广泛使用，已为人们所熟知。在实际工作中有时要应用压力1MPa以上的气压，此时一般小型空气压缩机已无能力而往往又没有必要购买一台高压空气的压缩机。这一问题往往采用气液增压装置得到解决。
总之，气压传动一般用于快速传递，不怕冲击，速度要求不严的场合；液压传动一般用于传动平稳，必须控制调节的场合。压缩空气为气—液传动系统的动力源，代替液压传动系统动力装置的油泵推压油液，推动进给缸进行切削加工，又可同时用于其它气缸的直接传动。在中低压的状况下，油液视为不可压缩的，使进给缸能获得平稳的运动。该系统的缺点是油液的过滤和密封要求严格，为补偿泄漏要设置一油杯或补油泵。而且，负载变化时，压力有波动，泵之响应性较差，应用范围狭窄，不适用于连续大量供油的场合或压力波动要求较严的场合。另外，不论油阻尼缸还是利用气液转换器组合的回路，其进给速度常出现不稳定现象，造成不稳定的原因是因为油中混有气体。一方面原因是因为气液渗漏引起的，另一方面是由于油缸没有排气孔或排气孔的位置不当，在向油缸加油时，油缸内气体无法排出引起的。由于气体的可压缩性以及气油的浑流干扰，使阻尼缸工作时产生爬行、冲击、停顿等现象，降低了机床的加工精度。为解决此问题，应在设计、制造气液缸时，保证密封圈处沟槽的公差及活塞与缸筒内壁、活塞杆与缸盖之间的配合精度，这样才能改变气液系统的性能。(end)
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(10/23/2010) |
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