數字液壓技術在機械運行狀態中的穩定性

單玉佩

遼寧裝備制造職業技術學院科技教育研究院（ 沈陽 100161 ）

數字液壓技術是目前比較流行的專業技術。也可以說是21世紀的主流技術之一。它可以用模擬技術推動工業領域的技術革命，促進社會的經濟發展，并解決我國工業領域的一些技術難題。那么，能否將這種功能強大而信號卻十分脆弱的數字技術引入到機械運行和自動控制領域呢？從理論上做一次大膽的設計嘗試。

首先，將微弱的數字信號變成功率強大的液壓驅動信號。直接驅動機械裝置。運用計算機控制系統引入到機械操縱控制領域。實現理念上的根本突破。這是一種全新的控制理念，也是對傳統的控制理論的挑戰。這種設計，由計算機直接發出指令，利用其強大的功能，以發脈沖的形式直接控制執行機構，實行開環控制。變被動控制為主動控制，從多角度，多方位對終極目標進行全方位的調控。而傳統控制方法則不然。它是通過伺服系統來完成的。通過各種的伺服閥、比例閥、傳感器等等。利用傳感器把位置、速度、行程信號等元素進行反饋，形成閉路，通過計算機的整理、比較、計算等環節后發出指令，以達到控制目標的目的。

新的設計理念和技術，不僅簡化了控制設計，同時，也由于數字傳輸的抗干擾力強、運行穩定、控制精確、結構簡單、維護方便、投資低廉等特點，解決了伺服系統固有的難以克服的抗干擾、抗污染能力差，容易產生振蕩、易產生零飄、溫飄等致命的缺陷問題。

其次，由于數字液壓技術所采用的是直接驅動的原理，減少了諸多環節上的信號傳遞和機械傳動性能。所以，這項技術在機械運行狀態中的穩定性是勿庸置疑的。它可以取代現有液壓領域中幾乎所有的液壓閥成為高性能的無閥站液壓傳動系統。在與多功能數控系統結合后，不但解決了數字液壓技術研究的諸多難題，還可以以其自身長行程、高速度、低價位等突出優點占據液壓工業領域的主導地位。它可以將行程從3-5 m擴展到更大。速度可以從0.5-500 mm/s，進行任意調整。

數字液壓技術的市場應用前景十分廣泛。它涉及應用于國家經濟發展的各個領域。(1)機械、化工領域：可用于數控機床、機器人、重型機械、輕工機械、工程機械、建筑機械、化工管網、化工自動配料系統、天然氣、石油運輸的遠程控制、石油冶煉、海洋石油平臺升降。②動力、能源領域：水力發電、水輪機調速、核能反應堆的控制、管道控制、閘閥控制、冶金行業的煉鋼、軋鋼、煉鐵、工業爐等。③國防、航天領域：飛機機翼的控制、發射裝置、火炮控制、飛行模擬器、裝甲兵坦克訓練的模擬器、坦克火炮系統、高炮群控、導彈發射、導彈群控、艦船的舵機控制、自動導航、管路和液壓機構的控制。以及各種專用的機械設備及生產線。它與各種主機配套不僅可以提高主機的檔次，還可以進行技術和設備使用功能的更新換代。由此可見，其廣泛的市場應用前景，將長期具有產品生產的穩定性。

在技術方面，數字液壓技術在機械運行中的穩定性問題，是保證機械性能在產品加工過程中的關鍵問題。也就是所要加工產品的精度問題。為了防止它在機械的啟動、停止、調速和一些機械物理形態中出現的變異現象，我們可以在其液壓回路上，或加大行程速度上進行改進。采取技術手段使這一問題得到有效的解決。采用液壓系統的靜壓支撐，使所加工產品得到更高的工作平穩性和運動精度。將步進傳動裝置的開環系統定位精度，根據電氣信號的傳遞速度，準確地將其定位在（＜0.01mm）范圍內。這時，我們可以任意選擇開路定位系統還是閉環定位系統。二者間的取向問題則只是一個成本問題。在傳動運行過程中，根據生產部件要求的速度，在有效工作范圍內，實現無級調速，持續進給或間歇進給；在負載要求變化下，其速度仍然可以保持恒定，這就給產品加工的精度提供了最基本可靠的保證。

數字液壓傳動與機械傳動、電力傳動和液壓傳動相比，具有以下優點：①便于精確的實現無級調速，調速范圍可以達到 100：1至 2000：1。②在同等功率情況下，數字液壓的傳輸信號能準確及時地反映出所要控制或實現目標的具體狀態。并且，具有體積小、重量輕、結構緊湊、慣性小、傳遞較大的力或轉矩能特點。③在頻繁的啟動和轉換向過程中，工作狀態穩定，反應快，沖擊小，震蕩頻率系數低。④控制調節比較簡單方便，操作容易，與自動化電氣控制配合使用，能順利實現復雜的順序動作和遠程控制；⑤可以實現過載保護，使負載狀態下油液通過信號傳遞返回油箱，在自行潤滑過程中，延長使用壽命。⑥在實現系列化、標準化、通用化、設計制造使用和推廣方面具有較強的優勢。⑦元件分配、布置靈活，可以充分實現回轉和直線運動，為產品加工實現了功能性保障；⑧在運行過程中，功率損失所產生的熱量被充分轉移，避免了機械運行過程中所產生了過度升溫。⑨機械運行過程中被轉移的熱量，可以轉化為新的能源繼續工作，從而降低了機械的運行成本。

數字液壓技術，是帕斯卡原理的更新換代技術。就其原理而言，就是液體各處壓強是一致的，在系統保持平衡的狀態下，小活塞上面施加的壓力比較小，大活塞上面施加壓力比較大，從而實現了液壓的靜止。通過液體的傳遞，可以得到不同端上不同的壓力。以達到變換的目的。而數字液壓技術，則是建立在這個原理之上。將微弱的數字信號轉變為大功率的液壓驅動信號，直接對機械裝置產生作用。并運用計算機控制系統，完成對機械裝置實現控制作用的專業技術。

它的產生，基于近年來微型計算機的不斷發展、普及和提高。主要是單板機、單片機成熟的技術市場和低廉的價格，為液壓系統的數字化提供了必要的前提條件和良好的基礎。使數字技術在液壓產品領域得到了廣泛的應用和青睞。并且還在不斷地開拓著新的應用領域。

目前，數字液壓技術從主體結構上看包括三個主要方面：

(1)數字技術主要應用于液壓系統的直接數字控制（即DDC）

(2)計算機的輔助設計（即CAD）

(3)計算機輔助測試（即CAT）。

為了能使液壓系統實現快速、高效和可靠的目的性，我們先將電信號轉換為液壓輸出性能良好的數字元件。把這種數字液壓元件通過控制裝置后，安裝在液壓閥、液壓缸、液壓泵內，并進行集成化處理。比如：把傳感器集成于液壓缸的活塞桿上等等。形成各種不同種類的數字元件，由數到模轉換元件，直接與計算機相連，再用計算機輸出的脈沖數和頻率來控制電液系統的壓力和流量。這當中的數字液壓元件包括：①數字控制閥：它分為模擬閥、組合式數字閥、步進式數字閥、高速開關閥等。我們可以根據不同的技術要求，對這些數字液壓元件進行選擇。②數字液壓的執行元件：它包括數字液壓缸、數字式液壓馬達。二者都是增量式數字控制電液伺服元件。前者是控制步進電機的電信號轉換為機械位移的轉移元件。可采用微計算機的編程控制器（PLC）對步進電機進行控制。后者是，由步進電機和液壓扭矩放大組成，輸出的扭矩可以達到幾十至幾百個 N·m。是普通步進電動機的幾百倍至千倍。③數字化電液集成塊，以此作為基本元件構成的電液集成控制系統在電控功率上與微機輸出易于匹配，成本低廉。因此，液壓控制系統廣泛采用微機控制轉換為現實。其數字控制系統兼有電氣系統對信號檢測、處理快捷方便、計算機控制方式靈活、液壓控制功率強大，反應快和結構緊湊等優點。

液壓系統的計算輔助設計是緊隨電子數字計算機的發展而發展起來的一門新興專業技術。簡稱CAD技術。

CAD技術包括仿真、建模、優化、設計和繪圖，是利用計算機來輔助設計人員進行較為復雜的控制系統工作的方法。它可以縮短控制系統的設計周期，利用仿真技術，進行各種設計方案的分析和比較，提高設計水平。液壓系統的數字仿真和設計應用包括以下幾個方面：①從數字模型出發，對現有的液壓系統進行仿真研究，通過反復的分析、比較和論證，使仿真接近于具體產品的實驗結果。②在實際的應用系統調試時，通過仿真實驗；確定調整參數，提供系統調試的理論依據。縮短調試周期，避免設備損失，優化實驗成本。③對于新的設計系統，通過仿真驗證系統控制方案，研究系統結構參數對動態性能的影響，獲得最佳的技術控制方案和系統結構參數。

隨著液壓傳動裝置對液壓元件的技術特性、技術參數的測試要求越來越高，傳統的測試方法已經不能滿足當代液壓產品技術的基本要求。對測試精度的準確性；測試速度的快捷性；為測試設備提供的安全性，都提出了新的要求。于是，全新可靠的，設計完善的液壓元件計算輔助測試技術應運而生（即CAT）。它分為靜態特性的測試技術和動態特性測試技術。動態特性測試技術是對液壓元件額定流量的大小進行測試；動態特性的測試技術，是動態液壓元件特性測試領域的重要課題之一。相應的動態性能測試要求較高。CAT可以采用自適應尋優的正弦信號測試方法對液壓元件的動態特性進行測試。它可以回避高頻噪聲干擾，提高測試結果的精確性。并可以以其性能先進的VX1總線儀器為主要測試設備，組成液壓元件動態測試系統。具有高速、高精度、易組建、擴展、更新換代的特點；綜合性能測試技術。即利用計算機和相關軟件建立的液壓元件特性測試系統。可實現對液壓元件動、靜態特性的自動測試。運用虛擬儀器技術V1CAT系統，產生低頻三角波、正弦波、鋸齒波等，用于靜態特性實驗需要。所產生的隨機信號，正弦掃頻信號用于動態特性測試需要。兩路模擬量輸出和回路模擬量輸入等接口，對提高測試精度，減少測試時間，減輕實驗工作人員的負擔起到了巨大的積極作用。

無論我們采用對數字液壓系統控制的開環設計理念，還是閉環設計結構，技術支撐和性能穩定這樣一個基本的前提條件是不變的。確定了這一點，產品加工的精度就會得到有效的保證。

數字液壓技術是數字技術和液壓傳動與控制系統的結合技術。是基于現代化工業綜合技術多學科和多領域的具體應用。數字液壓技術是液壓傳動和控制領域的重要組成部分。也就是當代工業領域技術更新換代項目。