数字液压技术在机械运行状态中的稳定性

单玉佩

辽宁装备制造职业技术学院科技教育研究院（ 沈阳 100161 ）

数字液压技术是目前比较流行的专业技术。也可以说是21世纪的主流技术之一。它可以用模拟技术推动工业领域的技术革命，促进社会的经济发展，并解决我国工业领域的一些技术难题。那么，能否将这种功能强大而信号却十分脆弱的数字技术引入到机械运行和自动控制领域呢？从理论上做一次大胆的设计尝试。

首先，将微弱的数字信号变成功率强大的液压驱动信号。直接驱动机械装置。运用计算机控制系统引入到机械操纵控制领域。实现理念上的根本突破。这是一种全新的控制理念，也是对传统的控制理论的挑战。这种设计，由计算机直接发出指令，利用其强大的功能，以发脉冲的形式直接控制执行机构，实行开环控制。变被动控制为主动控制，从多角度，多方位对终极目标进行全方位的调控。而传统控制方法则不然。它是通过伺服系统来完成的。通过各种的伺服阀、比例阀、传感器等等。利用传感器把位置、速度、行程信号等元素进行反馈，形成闭路，通过计算机的整理、比较、计算等环节后发出指令，以达到控制目标的目的。

新的设计理念和技术，不仅简化了控制设计，同时，也由于数字传输的抗干扰力强、运行稳定、控制精确、结构简单、维护方便、投资低廉等特点，解决了伺服系统固有的难以克服的抗干扰、抗污染能力差，容易产生振荡、易产生零飘、温飘等致命的缺陷问题。

其次，由于数字液压技术所采用的是直接驱动的原理，减少了诸多环节上的信号传递和机械传动性能。所以，这项技术在机械运行状态中的稳定性是勿庸置疑的。它可以取代现有液压领域中几乎所有的液压阀成为高性能的无阀站液压传动系统。在与多功能数控系统结合后，不但解决了数字液压技术研究的诸多难题，还可以以其自身长行程、高速度、低价位等突出优点占据液压工业领域的主导地位。它可以将行程从3-5 m扩展到更大。速度可以从0.5-500 mm/s，进行任意调整。

数字液压技术的市场应用前景十分广泛。它涉及应用于国家经济发展的各个领域。(1)机械、化工领域：可用于数控机床、机器人、重型机械、轻工机械、工程机械、建筑机械、化工管网、化工自动配料系统、天然气、石油运输的远程控制、石油冶炼、海洋石油平台升降。②动力、能源领域：水力发电、水轮机调速、核能反应堆的控制、管道控制、闸阀控制、冶金行业的炼钢、轧钢、炼铁、工业炉等。③国防、航天领域：飞机机翼的控制、发射装置、火炮控制、飞行模拟器、装甲兵坦克训练的模拟器、坦克火炮系统、高炮群控、导弹发射、导弹群控、舰船的舵机控制、自动导航、管路和液压机构的控制。以及各种专用的机械设备及生产线。它与各种主机配套不仅可以提高主机的档次，还可以进行技术和设备使用功能的更新换代。由此可见，其广泛的市场应用前景，将长期具有产品生产的稳定性。

在技术方面，数字液压技术在机械运行中的稳定性问题，是保证机械性能在产品加工过程中的关键问题。也就是所要加工产品的精度问题。为了防止它在机械的启动、停止、调速和一些机械物理形态中出现的变异现象，我们可以在其液压回路上，或加大行程速度上进行改进。采取技术手段使这一问题得到有效的解决。采用液压系统的静压支撑，使所加工产品得到更高的工作平稳性和运动精度。将步进传动装置的开环系统定位精度，根据电气信号的传递速度，准确地将其定位在（＜0.01mm）范围内。这时，我们可以任意选择开路定位系统还是闭环定位系统。二者间的取向问题则只是一个成本问题。在传动运行过程中，根据生产部件要求的速度，在有效工作范围内，实现无级调速，持续进给或间歇进给；在负载要求变化下，其速度仍然可以保持恒定，这就给产品加工的精度提供了最基本可靠的保证。

数字液压传动与机械传动、电力传动和液压传动相比，具有以下优点：①便于精确的实现无级调速，调速范围可以达到 100：1至 2000：1。②在同等功率情况下，数字液压的传输信号能准确及时地反映出所要控制或实现目标的具体状态。并且，具有体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小、传递较大的力或转矩能特点。③在频繁的启动和转换向过程中，工作状态稳定，反应快，冲击小，震荡频率系数低。④控制调节比较简单方便，操作容易，与自动化电气控制配合使用，能顺利实现复杂的顺序动作和远程控制；⑤可以实现过载保护，使负载状态下油液通过信号传递返回油箱，在自行润滑过程中，延长使用寿命。⑥在实现系列化、标准化、通用化、设计制造使用和推广方面具有较强的优势。⑦元件分配、布置灵活，可以充分实现回转和直线运动，为产品加工实现了功能性保障；⑧在运行过程中，功率损失所产生的热量被充分转移，避免了机械运行过程中所产生了过度升温。⑨机械运行过程中被转移的热量，可以转化为新的能源继续工作，从而降低了机械的运行成本。

数字液压技术，是帕斯卡原理的更新换代技术。就其原理而言，就是液体各处压强是一致的，在系统保持平衡的状态下，小活塞上面施加的压力比较小，大活塞上面施加压力比较大，从而实现了液压的静止。通过液体的传递，可以得到不同端上不同的压力。以达到变换的目的。而数字液压技术，则是建立在这个原理之上。将微弱的数字信号转变为大功率的液压驱动信号，直接对机械装置产生作用。并运用计算机控制系统，完成对机械装置实现控制作用的专业技术。

它的产生，基于近年来微型计算机的不断发展、普及和提高。主要是单板机、单片机成熟的技术市场和低廉的价格，为液压系统的数字化提供了必要的前提条件和良好的基础。使数字技术在液压产品领域得到了广泛的应用和青睐。并且还在不断地开拓着新的应用领域。

目前，数字液压技术从主体结构上看包括三个主要方面：

(1)数字技术主要应用于液压系统的直接数字控制（即DDC）

(2)计算机的辅助设计（即CAD）

(3)计算机辅助测试（即CAT）。

为了能使液压系统实现快速、高效和可靠的目的性，我们先将电信号转换为液压输出性能良好的数字元件。把这种数字液压元件通过控制装置后，安装在液压阀、液压缸、液压泵内，并进行集成化处理。比如：把传感器集成于液压缸的活塞杆上等等。形成各种不同种类的数字元件，由数到模转换元件，直接与计算机相连，再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。这当中的数字液压元件包括：①数字控制阀：它分为模拟阀、组合式数字阀、步进式数字阀、高速开关阀等。我们可以根据不同的技术要求，对这些数字液压元件进行选择。②数字液压的执行元件：它包括数字液压缸、数字式液压马达。二者都是增量式数字控制电液伺服元件。前者是控制步进电机的电信号转换为机械位移的转移元件。可采用微计算机的编程控制器（PLC）对步进电机进行控制。后者是，由步进电机和液压扭矩放大组成，输出的扭矩可以达到几十至几百个 N·m。是普通步进电动机的几百倍至千倍。③数字化电液集成块，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，成本低廉。因此，液压控制系统广泛采用微机控制转换为现实。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、液压控制功率强大，反应快和结构紧凑等优点。

液压系统的计算辅助设计是紧随电子数字计算机的发展而发展起来的一门新兴专业技术。简称CAD技术。

CAD技术包括仿真、建模、优化、设计和绘图，是利用计算机来辅助设计人员进行较为复杂的控制系统工作的方法。它可以缩短控制系统的设计周期，利用仿真技术，进行各种设计方案的分析和比较，提高设计水平。液压系统的数字仿真和设计应用包括以下几个方面：①从数字模型出发，对现有的液压系统进行仿真研究，通过反复的分析、比较和论证，使仿真接近于具体产品的实验结果。②在实际的应用系统调试时，通过仿真实验；确定调整参数，提供系统调试的理论依据。缩短调试周期，避免设备损失，优化实验成本。③对于新的设计系统，通过仿真验证系统控制方案，研究系统结构参数对动态性能的影响，获得最佳的技术控制方案和系统结构参数。

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，传统的测试方法已经不能满足当代液压产品技术的基本要求。对测试精度的准确性；测试速度的快捷性；为测试设备提供的安全性，都提出了新的要求。于是，全新可靠的，设计完善的液压元件计算辅助测试技术应运而生（即CAT）。它分为静态特性的测试技术和动态特性测试技术。动态特性测试技术是对液压元件额定流量的大小进行测试；动态特性的测试技术，是动态液压元件特性测试领域的重要课题之一。相应的动态性能测试要求较高。CAT可以采用自适应寻优的正弦信号测试方法对液压元件的动态特性进行测试。它可以回避高频噪声干扰，提高测试结果的精确性。并可以以其性能先进的VX1总线仪器为主要测试设备，组成液压元件动态测试系统。具有高速、高精度、易组建、扩展、更新换代的特点；综合性能测试技术。即利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统。可实现对液压元件动、静态特性的自动测试。运用虚拟仪器技术V1CAT系统，产生低频三角波、正弦波、锯齿波等，用于静态特性实验需要。所产生的随机信号，正弦扫频信号用于动态特性测试需要。两路模拟量输出和回路模拟量输入等接口，对提高测试精度，减少测试时间，减轻实验工作人员的负担起到了巨大的积极作用。

无论我们采用对数字液压系统控制的开环设计理念，还是闭环设计结构，技术支撑和性能稳定这样一个基本的前提条件是不变的。确定了这一点，产品加工的精度就会得到有效的保证。

数字液压技术是数字技术和液压传动与控制系统的结合技术。是基于现代化工业综合技术多学科和多领域的具体应用。数字液压技术是液压传动和控制领域的重要组成部分。也就是当代工业领域技术更新换代项目。