1、数字技术在液压系统中的应用一、 引言随着计算机技术的开展，液压系统中数字技术的应用领域得到不断拓展。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。数字技术的数学根底离散数学、逻辑数学等，早在17、18世纪就已经出现。但是开展成为数字技术并付诸实用，那么是在微电子技术和器件的开展之后。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开展起来。近几年，由于微型计算机的开展和提高，特别是
2、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。1. 数字
3、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到达流
4、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。2. 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
5、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Nm，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响式液压伺服机构，由四边滑阀、液压马达和反响机构组成。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，阀口翻开，压力油进入马达使马达转动，同时反响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
6、，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，以此作为根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，且本钱低。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开展而开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
7、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拟，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。从而可以比拟仿真结果与实验结果的差异，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防止损坏设备。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，
8、由此获得最正确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，降低产品本钱，防止不必要的浪费，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
9、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。1. 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。2.
10、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，不但防止了非线性的影响，而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试。3. 综
11、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、 液压数字系统开展实例(一) 新型数字控制流量阀的研究1. 引言电液式恒应力压力试验机主要用于材料抗压强度的测量，抗压试验要求试验机必须具备恒应力加载的能力，并且要求工作液压缸从零压开始均匀加载，对系统的控制精度要求很高，尤其对系统的流量脉动和压力脉动
12、要求更高。针对压力试验机液压控制系统的上述要求，我们设计了一种试验机专用的数字控制流量阀，该阀由一只节流阀和一只等差减压阀组合而成(如图1所示)，通过调整节流阀的输出流量来控制液压缸的输出压力，取得了非常好的效果。节流阀为三通转阀式结构，采用等差减压阀对节流口进行补偿，不仅提高了流量的控制精度，还起到消除系统压力脉动的作用。该阀以二相混合式步进电机为电-机械转换元件，针对试验机的特点，专门设计了步进电机的连续细分控制技术，实现了直接数字方式控制，消除了阀的滞环，提高了控制精度和抗干扰能力。2. 结构原理图2所示为阀的结构原理图,该阀由步进电机、齿轮传动机构节流阀主阀和等差减压阀先导阀组成。传动
13、机构由一对齿轮组成，传动比i=6，设计这样的结构，不仅解决了步进电机与主阀阀芯直接连接时同轴度的要求，减小了加在电机上的有效负载转矩，保证了电机的输出特性，同时还有效地减小了阀芯的位置误差，提高了控制精度。主阀为三通转阀式结构，考虑到径向力平衡关系，设计中采用了对称开口结构，在阀芯上开有一对与泵出口相通的P口和一对与油箱相通的T口，在阀套上开有一对与工作液压缸相通的A口。先导阀采用滑阀式全开口结构，有效地降低了系统的压力脉动，提高了系统压力补偿的精度，先导阀前腔与主阀P腔相通，后腔与主阀A腔相通。当主阀阀芯处于零位时，节流阀的A口与T口、A口与P口均处于截止状态，此时先导阀的阀口翻开，泵的输出
14、流量通过先导阀流回油箱。当步进电机从零位开始顺时针进给，P口与A口导通，同时，先导阀开始工作，步进电机带动主阀阀芯调节主阀阀口的过流面积，通过控制输出流量来控制液压缸负载腔的压力。当步进电机从零位开始逆时针进给，P口与T口导通，泵的输出流量直接通过T口回油箱，此时先导阀处于关闭状态。主阀在小开口区域设计了非线性开口，提高了阀零位附近小流量区域的控制精度。当主阀处于工作位置时，先导阀的压力补偿功能，使得阀口的过流流量不受负载变化的影响，保证了主阀节流口过流面积和输出流量的线性关系。3. 步进电机的控制原理利用一种基于PWM的多倍细分技术，实现了步进电机输出角位移的连续跟踪控制，该控制算法被固化在
15、步进电机控制器中。在步进电机的控制中，在每次输入脉冲切换时，如果只改变对应绕组中额定电流的一局部，那么转子相应的每步转动也只会是原有步距角的一局部，额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来完成原有的步距角。因此，通过控制绕组中电流的数值就可以调整电机步距的大小，也就可以把步距角分成假设干细分步数来完成。步进电机细分后的步距角：式中：N为细分步数；为步进电机步距角。第i周期的输入角位移与第i-1周期的输入角位移之间的关系可表示为：从上式可以看出，步进电机转子两个周期之间的输出角位移可以通过完成个步距角和个细分步数来实现。利用这个方法，不仅提高了步进电机的输出精度，获得步进电机角位移的连续
16、输出，而且还不降低步进电机的响应频率。图3为控制程序设计框图。为了保证主阀在初始位置始终处于零位，每次控制器开机时即自动对阀芯进行初始化，此时阀芯处于零位，对应的步进电机也处于零位，等待读取输入角位移信号。当第一个周期的信号送到后，可以得到与零位比拟后的m1和n1，当m10时，首先送出m1，然后送出n1，当m1=0时，直接送出n1，第i个周期与第i-1个周期的情况也是一样。4. 阀的静态特性图4所示为阀的流量-压力特性曲线，图4a为阀在小流量工作区域的流量-压力特性曲线，图4b为阀在大流量工作区域的流量-压力特性曲线，从试验曲线可以看出,该阀具有较好的抗负载变化能力，具有非常小的稳定流量(8 mL/min)。图5为阀的输入输出特性，图5a为不带
