浅谈现代液压控制技术的特点及应用

2012-08-29徐海枝

装备制造技术 2012年7期

徐海枝

（南宁职业技术学院，广西南宁 530008）

液压控制技术与其他控制技术相比，具有功率重量比大、，响应速度快、布局灵活方便、调速范围大、工作平稳和易于操纵控制并实现过载保护等许多优势，因而成为各类机械实现控制的重要手段，在各类机床、生产线、重型机械、起重机械、建材建筑机械、汽车、航空航天、船舶和武器装备等领域，都得到了广泛应用。

近年来，液压控制技术由于不断移植其他领域的技术成果，推动了液压控制技术逐渐向自动化、智能化、小型化、高精度、高功率、高效率方向发展，成为当代一系列先进技术的先驱和典范，其应用领域几乎遍及各行各业。

本文将对现代液压控制技术的发展历史做简单地回顾，并对融合了现代技术的几种新型液压控制技术及其工程的实际应用进行探讨，为现代液压控制技术的推广应用提供借鉴。

1 液压控制技术的发展与应用概况

1.1 液压控制技术发展与应用历史回顾

1648年，法国的帕斯卡提出了静止液体中的压力传播规律——帕斯卡原理，由此揭开了液压控制技术发展的序幕。然而在漫长的历史发展过程中，液压控制技术的发展和应用，步伐相对缓慢，甚至裹足不前。其快速发展和广泛应用，则是到了20 世纪初，由于第二次世界大战中大规模军事武器装备的生产以及现代工业的兴起，特别是汽车工业的发展，装配流水线、生产自动线和数控机床与加工中心相继问世，为液压控制技术的快速发展，创造了先决条件。

液压控制技术进入工业制造装备领域之后，在快速发展的生产自动线和自动加工设备技术需求的刺激下，得到了迅猛的发展并日趋成熟，成为自动加工装备不可缺少的控制手段，曾经引领制造装备的技术进步，应用领域也不断拓展。从20 世纪初矿物油引入作为液压传动与控制系统的工作介质，到轴向柱塞泵的诞生，三大类阀的面世，再到上世纪50年代电液伺服阀、70年代电液比例阀的发明，都是液压控制技术领域极具革命性的技术进步。

1.2 现代液压控制技术的发展概况

液压伺服控制技术是二次世界大战期间及之后，由于武器和飞行器等军事装备对高精度、快速反应的自动控制系统的需要而发展起来的，在军事武器装备的生产中，特别是在航空航天领域中大显身手。液压伺服控制技术与现代微电子和计算机技术相结合发展起来的电液伺服控制和电液比例控制技术，构成了现代液压控制技术的主体。随着近代电子、计算机、信息、网络、自动控制等技术的迅猛发展，给液压控制技术注入了更多新的活力，基于电液伺服控制和电液比例控制的机、电、液一体化的液压控制技术层出不穷，现代控制技术得到了进一步的发展。

目前，电液控制技术以其明显的技术优势，迅速在能量大、控制精度高、响应速度快等领域取代了传统的液压控制技术和机电控制方式，应用于精密设备、重要或大型装备、航空航天装备、轧钢设备等，在各行各业的发展中发挥出越来越重要的作用。

2 现代液压控制技术的应用

2.1 电液伺服控制技术

电液伺服系统是以电气信号为输入，以液压信号为输出，在系统的输入和输出之间有反馈连接的闭环控制系统。图1 为电液伺服系统的结构框图，输入信号通过比较元件与反馈信号进行比较后，得出偏差电信号，由电控器转换为力信号，电- 机械转换元件，再把力信号变为位移信号，经液压放大元件放大后，输出具有一定压力和流量的液体，控制液压执行元件运动。检测反馈元件检测被控量或中间量，并反馈回输入端。系统输入信号的功率很小，但系统的输出可以达到很大。

图1 电液伺服系统结构框图

电液伺服控制系统，以其一系列的优点，在工程中应用已经相当普遍，成为新系统设计和旧设备改造的重要选择。电液伺服控制系统有诸多明显优点：

（1）功率重量比、力矩惯量比或力质量比大；

（2）易于实现直线运动的速度位移和力的控制；

（3）响应速度快，加速性能好，控制精度高；

（4）结构紧凑，尺寸小，净质量小；但是也存在对油液的精度要求高、阀的加工精度高、工艺性差等缺点。

图2 是某自动生产线上，下料机械手的电液伺服控制系统，针对机械手取放工件的定位精度差的问题，引人了输出压力反馈的控制方法。位置传感器将液压缸的位置信号转换为电信号与输入电信号比较，得到的偏差信号经伺服放大器放大，输出控制电流控制伺服阀芯运动，输出压力推动液压缸，带动负载运动。

图2 上下料机械手电液伺服控制系统图

2.2 电液比例控制技术

电液比例控制技术，是电液伺服控制技术的发展和补充，其主要构成部件为比例控制阀，基本原理是输出能够随着输入的变化连续地、成比例地得到控制。比例控制阀实际是伺服控制阀的一种简化，主要是利用比例电磁铁在压力、流量和方向阀的基础上改进，以简化结构，提高可靠性，降低成本。

电液比例控制系统主要有如下优点：

（1）操作方便，容易实现遥控；

（2）自动化程度高，容易实现编程控制；

（3）工作平稳，控制精度较高；

（4）结构简单，使用元件较少，对污染不敏感；

（5）系统的节能效果好。

主要缺点是成本较高，技术比较复杂。

三峡永久船闸液压启闭机，是长江三峡水利水电枢纽工程中的重大装备，其液压控制系统的电液比例控制是关键技术之一，闸门在高压大流量变速的复杂工况下运行，能够始终按设定的曲线平稳运行，而且具有良好的无级变速特性和较高的同步控制精度。

2.3 无线电液控制技术

无线电液控制技术是微电子技术、无线电技术与电液控制技术紧密结合形成的智能控制技术，集成了更先进的液压控制、通信和图像处理技术，其原理是先将操作者或机器的控制指令进行数字化处理，然后通过发射天线以无线电波的方式，传递给远处的接收系统，经过解调和解码，将信号转换为控制指令，实现对各种类型阀的远程操作控制。

无线电液控制技术，既有电液控制技术的优点，又有无线电技术的优点，其出现极大地改善了工程机械操作人员的工作环境，提高了工程机械的自动化程度，特别适合在复杂、恶劣和危险环境下工作的机械工程装备的控制，今后在机械工程领域内将有着广泛的应用前景。

无人驾驶的挖掘机的控制系统，采用了无线电液控制技术，可以进行远程操作，极大地改善了操作人员的工作环境，降低了由于视觉受限制所带来的误操作事故，提高了自动化程度。

盾构管片拼装机，是地下隧道开挖的技术密集型重大工程装备，是应用无线电液控制技术的典型设备。盾构管片拼装机是一个六自由度的机械手，利用无线遥控系统控制带负载补偿的电液比例多路阀，从而控制机械手各个方向执行器的动作，不但能实现六自由度的无线电液遥控，而且定位准确。

2.4 液压现场总线技术

现场总线，是连接智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是一项将智能传感器、控制器、计算机和数字通信融合在一起的综合技术。在液压控制系统中，引入现场总线技术，可以通过智能仪表对液压系统的压力、流量、温度等多个参数进行远程监测和控制，并能够进行数据的高速、网络化传输，具有很好的开放性和互换性，系统可靠性高，可维护性好，更利于实现高速、高精度的液压控制，并且降低了系统及工程成本。

现场总线液压控制系统，在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，其与各自的控制阀、执行器相连接。由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，可以通过高速开关方式加以升压或降压增流，克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。液压系统故障诊断困难，利用现场总线诊断画面来诊断液压系统故障，能够很方便地监控工作现场各种数据，帮助维修人员快速准确地判断故障。

液压锻造机需在高压、大流量、换向频繁的工作条件下，对大惯量运动部件进行平稳和精确控制，对控制系统的可靠性和性能提出很高的要求。图3 是采用液压现场总线技术的液压锻造机系统结构示意图，由PLC 系统、控制和监测计算机联网组成现场控制网络，控制计算机通过网卡与PLC 系统交换信息，并完成锻造机的位置与压力闭环控制，提高了系统的控制精度和可靠性。