液壓比例控制雙語課的開發與教學研究

宋錦春，倪 克，張 凱

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

1 液壓技術的國內外發展狀況及引入雙語教學的必要性

液壓比例控制是液壓技術與自動控制技術相結合的工程實用技術，以自動控制技術為基礎，綜合運用電子、機械、液壓與計算機等手段實現對相應物理量（參數）的自動控制。傳統的液壓控制方式是開關型控制，這是迄今為止用得最多的一種控制方式。它通過電磁驅動或手動驅動來實現液壓介質的通、斷和方向控制，從而實現被控對象的機械化和自動化操作[1-2]。但是這種方式無法實現對流量、壓力連續地按比例地控制，同時控制的速度也比較低、精度差、換向時沖擊比較大，因此在許多場合下的應用受到了限制。第二次世界大戰期間，由于以飛機、火炮等軍事裝備為對象的控制系統，要求快速響應、高精度等高性能，在這個背景下電液伺服控制得到了迅速發展[3-4]。這種控制方式可根據輸入信號（如電流）的大小連續地、按比例地改變液流的流量、壓力和方向，克服開關型控制的缺點，實現高性能的控制要求。

20世紀60年代電液伺服控制日趨成熟，迅速向民用工業推廣。但是，由于液壓伺服系統元件的制造精度要求很高、成本昂貴等不利因素，限制了該技術更為廣泛的普及應用。對于一般工業應用中對控制精度與響應速度等要求不是很高的系統，電液比例控制技術因為具有對油液污染不敏感、維護簡單、成本低廉等優勢，獲得了越來越普遍的應用。

電液比例閥是介于開關型的液壓閥與伺服閥之間的一種液壓元件。與電液伺服閥相比，其優點是價廉、抗污染能力強。除了在控制精度及響應快速性方面不如伺服閥外，其它方面的性能和控制水平與伺服閥相當，其動、靜態性能足以滿足大多數工業應用的要求。與傳統的液壓控制閥比較，雖然價格較貴，但由于其良好的控制水平而得到補償。

電液比例控制的主要優點:操作方便，容易實現遙控；自動化程度高，容易實現編程控制；工作平穩，控制精度較高；結構簡單，使用元件較少，對污染不敏感；系統的節能效果好。

比例技術的發展大致可以劃分為三個階段：

第一階段：

1967年比例復合閥的出現標志著液壓比例技術的誕生。這一階段，主要是以比例型電--機械變換器，例如比例電磁鐵、伺服電機、動圈式力矩馬達等取代普通液壓閥中的手動調節裝置和普通電磁鐵，實現電液比例控制。

第二階段：

從1975年到1980年，比例技術進入發展的第二階段，比例器件普遍采用了各種內反饋回路，同時研制了耐高壓的比例電磁鐵，與之配套的比例放大器也日趨成熟，在性能上有了較大提高。

第三階段：

20世紀80年代以來，比例技術進入了飛速發展階段，設計原理進一步完善，比例閥的性能如滯環減小、頻寬大幅提高。比例技術同插裝技術結合，出現了二通、三通比例插裝閥?，F在有些比例閥已把傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復合在一起，使得結構更緊湊，性能進一步提高，使得比例控制技術被迅速、廣泛地應用于各種工業控制場合。

液壓比例技術是液壓領域相對新興和前沿的技術，該技術的教學傳授在國內只有少數高校進行實踐，而形成系統的課件形勢的教學更少。液壓比例技術的雙語課件，目前國內還沒有開發。液壓比例技術作為一門前沿的技術是液壓技術和電子控制技術的有機結合，有廣泛的應用前景。開發該技術相應的雙語課件有著重要的實際意義，對于液壓專業學生更好地將專業知識應用于實踐能起到關鍵作用。

“液壓比例控制技”雙語課的開發，在本專業學生學時有限而各種非專業性課程占用學時比例越來越大的背景下有著重要的實際意義。液壓比例技術本身內容很多，以往通過“黑板+粉筆”的教學模式，以目前的16學時的教學時間來看是遠遠不夠的。利用開發的雙語比例課件，可以提高教學節奏，將重點放在對知識本身的解釋闡述上，而不是花費大量時間用于板書[5]。液壓比例技術雙語課件的開發有現實的技術支持。計算機技術的普及，我校教學硬件的提升，都為在教學環節采用課件形式提供了現實的基礎。

液壓比例雙語課件突出“雙語”特色，是液壓技術領域的現實情況決定的[6-8]。液壓領域的新技術新成果主要在國外形成，一些高質量的液壓元件國內尚無能力生產，因此讀懂英文說明書是液壓領域技術人員的必要能力和工作。如在液壓比例技術領域，眾多新技術新產品都是由力士樂公司研發和生產的，其產品的說明書大都不經過翻譯，而采用英文的方式供用戶應用。如果沒有對液壓技術領域專業英語的大學學習，一些專業詞匯，行業標準將成為正確使用該類產品的巨大障礙。之所以本課件采用雙語模式，是因為開發一款“全外型”英語比例技術課件，在我們所處的非英語環境下，效果肯定不理想。而開發雙語課件，可以保證學生對本領域內容達到正確快速得理解和吸收。同學通過對“液壓比例控制”的學習，對提高他們在國際場合發表專業見解，參與交流的能力，對促進他們掌握英文專業術語和了解國外此類課程的思維方式方面，有重要的積極作用。

2 液壓比例雙語課件的教學目標和教學內容

液壓比例雙語課件的制作目標是通過圖片動畫文字等多種形式，提升學生對本課程的興趣，實現主動學習的目的。幫助學生提高認知能力，尤其是運用認知和策略發現新問題和解決新問題的能力。使制作的課件有顯著的教育性，嚴謹的科學性，創造一個適于個體學習，啟發思維，重點難點突出的學習課件。本課件必須緊扣大綱，按照教學目標選取課件材料和設置課件結構。

對于本科生，比例課件既是一門新課，也是液壓伺服與傳動內容的綜合與總結。在組織課件材料和設計課件結構上，要充分利用液壓比例技術與液壓伺服與傳動技術的聯系，讓同學在學習新知識的同時復習和體會舊知識，最終達到融會貫通和提高興趣的效果。

一個典型的液壓比例系統框圖，如圖1所示。從圖中我們可以看出液壓比例系統是由輸入元件、比較元件、電氣放大器、液壓伺服（比例）控制閥、執行元件、反饋元件（閉環系統）和控制對象這幾部分組成的。輸入元件將指令信號引入系統的輸入端的元件。該元件可以是機械的、電氣的、液壓的或者是其它的組合形式。比較元件將反饋測量信號和輸入信號相比較，得出偏差信號的元件。電氣放大器伺服閥與比例閥的電氣放大器，將控制系統的控制信號（電流或電壓）轉換成具有足夠驅動能力（功率）的電力信號用來驅動電液伺服閥或比例閥完成控制動作。液壓伺服（比例）閥利用電氣放大器輸出的驅動電能，通過液壓放大作用，轉換成大功率的液壓能量的元件。執行元件將控制作用施加于控制對象，實現控制目標的元件，如液壓缸和液壓馬達。反饋測量元件在閉環控制系統中，測量系統的輸出量并轉換成反饋信號的元件。各種類型的傳感器常用作反饋測量元件。控制對象具有被控物理量的各類生產設備，如機器工作臺、刀架等。以上內容會在課件中分別得到體現，并交代這些組成部分之間的關系和工作流程。但由于本課件重點在于比例技術的教學，所以重點仍然在比例電磁鐵（電機械轉換元件），比例電磁閥（電液轉換元件），比例容積控制（電液壓源比例調節元件），比例控制基本回路，比例放大器（將控制信號轉換為功率信號）[9]。除此之外本雙語課件還要重點突出液壓比例技術在實際項目中的工程應用，所以會添加本研究所的實際項目。

圖1 電液比例閉環控制系統方框圖Fig.1 Block Diagram of Electro-Hydraulic Proportional Closed-Loop Control System

3 液壓比例雙語課件的設計和特點

電液比例雙語課件的設計思路采用先份后總最后應用。所謂先分是指將構成比例液壓技術的各個單項技術進行分別闡述。這些技術分別是：比例電磁鐵（電機械轉換元件），比例電磁閥（電液轉換元件），比例容積控制（電液壓源比例調節元件），比例控制基本回路，比例放大器（將控制信號轉換為功率信號）[10]。上述分技術是液壓比例技術的核心，其中液壓閥是重點，要充分組織材料進行闡述。

所謂總是將上述分技術融合為一個系統進行設計開發，即電液比例控制系統分析與設計。這個總的部分是連接理論學習和實際設計的指導性環節，十分重要。所謂應用是指將我液壓所設計過的典型液壓系統以及其他的有代表性的液壓系統進行舉例分析，我研究所設計的管擰機液壓系統在新課件中的展示，共從我研究所從事的項目中精選出8個有代表性的實際例子，這里展示的是其中的1個，如圖2所示。通過這些實際例子，闡述液壓比例技術在實際的操作過程中的具體步驟和注意事項，讓學生對液壓比例系統的開發和評價有直觀的認識。用于展示比例技術在實際項目中應用的課件展示，如圖2所示。比例系統原理圖，雙語解釋一應俱全，方便學生學習理解。

圖2 管擰機液壓系統的課間展示Fig.2 Course Setting Out of Tube Twisting Machine Hydraulic System

對于某一個具體的比例元件，要讓學生正確深刻了解其原理，不只要在總體結構上保證正確，而且對于有很重要作用的細節設計要給予清晰的描述，因為這些點是有深刻的含義的。比如液壓閥的彈簧，有的用兩個，有的用一個，這二者的區別在哪里。在動畫方面，關注那些重要而抽象的原理，過程。很多情況這些過程只用圖片表達是很不夠的，此時用動畫的方式模擬比例元器件或系統的實際運行過程，能夠讓學生深刻理解所研究的結構在設計上的特點，從而對其工作原理有深入的把握。這里要注意的是，液壓比例器件的實際運行過程有的是非?？斓?，有的頻率達到幾百赫茲，此時在闡述原理的時候可以進行“人為放緩”的方式。原則是原理和過程必須正確，動畫必須清晰明了，不必原原本本的將實際過程表達出來。

在文字方面，不必像書籍那樣點點滴滴都要進行詳細技術，應該側重于提示性和重點難點突出的特性，盡量簡練。外文方面，由于液壓比例技術的發源來自于英語系國家，所以對這門技術的準確理解也必須沿襲這些國家的思維和教育方式。不是說這些國家的教育有多先進，只是說我們在引進這項技術的時候進行了某些人的思路干預。所以編寫英文部分時，必須對所論述的原理，過程的專業術語，英文的邏輯方式有準確的把握，在此基礎上才能夠實現啟發思維的目的。

4 總結

近些年來學生的專業學習學時不斷減少，液壓比例技術本身兼具理論抽象性和工程實際性，而且知識點多知識結構復雜，想要達到讓學生深刻理解本門課程并且有一定的設計能力，通過以往的“黑板+粉筆”的方式是不可能實現的。我研究所開發的液壓比例雙語課件經過精心的設計和授課老師多年教學經驗的凝結，必將為提升本門課程的教學質量發揮關鍵性作用。面對國內沒有同類雙語課件，而本專業所具有的國際交流性，本課件本著用英文教材的思維模式闡述液壓比例技術的原則，必將開闊學生眼界，為他們在今后的工作和學習中打下良好基礎。