液压比例控制双语课的开发与教学研究

宋锦春，倪 克，张 凯

（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

1 液压技术的国内外发展状况及引入双语教学的必要性

液压比例控制是液压技术与自动控制技术相结合的工程实用技术，以自动控制技术为基础，综合运用电子、机械、液压与计算机等手段实现对相应物理量（参数）的自动控制。传统的液压控制方式是开关型控制，这是迄今为止用得最多的一种控制方式。它通过电磁驱动或手动驱动来实现液压介质的通、断和方向控制，从而实现被控对象的机械化和自动化操作[1-2]。但是这种方式无法实现对流量、压力连续地按比例地控制，同时控制的速度也比较低、精度差、换向时冲击比较大，因此在许多场合下的应用受到了限制。第二次世界大战期间，由于以飞机、火炮等军事装备为对象的控制系统，要求快速响应、高精度等高性能，在这个背景下电液伺服控制得到了迅速发展[3-4]。这种控制方式可根据输入信号（如电流）的大小连续地、按比例地改变液流的流量、压力和方向，克服开关型控制的缺点，实现高性能的控制要求。

20世纪60年代电液伺服控制日趋成熟，迅速向民用工业推广。但是，由于液压伺服系统元件的制造精度要求很高、成本昂贵等不利因素，限制了该技术更为广泛的普及应用。对于一般工业应用中对控制精度与响应速度等要求不是很高的系统，电液比例控制技术因为具有对油液污染不敏感、维护简单、成本低廉等优势，获得了越来越普遍的应用。

电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态性能足以满足大多数工业应用的要求。与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。

电液比例控制的主要优点:操作方便，容易实现遥控；自动化程度高，容易实现编程控制；工作平稳，控制精度较高；结构简单，使用元件较少，对污染不敏感；系统的节能效果好。

比例技术的发展大致可以划分为三个阶段：

第一阶段：

1967年比例复合阀的出现标志着液压比例技术的诞生。这一阶段，主要是以比例型电--机械变换器，例如比例电磁铁、伺服电机、动圈式力矩马达等取代普通液压阀中的手动调节装置和普通电磁铁，实现电液比例控制。

第二阶段：

从1975年到1980年，比例技术进入发展的第二阶段，比例器件普遍采用了各种内反馈回路，同时研制了耐高压的比例电磁铁，与之配套的比例放大器也日趋成熟，在性能上有了较大提高。

第三阶段：

20世纪80年代以来，比例技术进入了飞速发展阶段，设计原理进一步完善，比例阀的性能如滞环减小、频宽大幅提高。比例技术同插装技术结合，出现了二通、三通比例插装阀。现在有些比例阀已把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起，使得结构更紧凑，性能进一步提高，使得比例控制技术被迅速、广泛地应用于各种工业控制场合。

液压比例技术是液压领域相对新兴和前沿的技术，该技术的教学传授在国内只有少数高校进行实践，而形成系统的课件形势的教学更少。液压比例技术的双语课件，目前国内还没有开发。液压比例技术作为一门前沿的技术是液压技术和电子控制技术的有机结合，有广泛的应用前景。开发该技术相应的双语课件有着重要的实际意义，对于液压专业学生更好地将专业知识应用于实践能起到关键作用。

“液压比例控制技”双语课的开发，在本专业学生学时有限而各种非专业性课程占用学时比例越来越大的背景下有着重要的实际意义。液压比例技术本身内容很多，以往通过“黑板+粉笔”的教学模式，以目前的16学时的教学时间来看是远远不够的。利用开发的双语比例课件，可以提高教学节奏，将重点放在对知识本身的解释阐述上，而不是花费大量时间用于板书[5]。液压比例技术双语课件的开发有现实的技术支持。计算机技术的普及，我校教学硬件的提升，都为在教学环节采用课件形式提供了现实的基础。

液压比例双语课件突出“双语”特色，是液压技术领域的现实情况决定的[6-8]。液压领域的新技术新成果主要在国外形成，一些高质量的液压元件国内尚无能力生产，因此读懂英文说明书是液压领域技术人员的必要能力和工作。如在液压比例技术领域，众多新技术新产品都是由力士乐公司研发和生产的，其产品的说明书大都不经过翻译，而采用英文的方式供用户应用。如果没有对液压技术领域专业英语的大学学习，一些专业词汇，行业标准将成为正确使用该类产品的巨大障碍。之所以本课件采用双语模式，是因为开发一款“全外型”英语比例技术课件，在我们所处的非英语环境下，效果肯定不理想。而开发双语课件，可以保证学生对本领域内容达到正确快速得理解和吸收。同学通过对“液压比例控制”的学习，对提高他们在国际场合发表专业见解，参与交流的能力，对促进他们掌握英文专业术语和了解国外此类课程的思维方式方面，有重要的积极作用。

2 液压比例双语课件的教学目标和教学内容

液压比例双语课件的制作目标是通过图片动画文字等多种形式，提升学生对本课程的兴趣，实现主动学习的目的。帮助学生提高认知能力，尤其是运用认知和策略发现新问题和解决新问题的能力。使制作的课件有显著的教育性，严谨的科学性，创造一个适于个体学习，启发思维，重点难点突出的学习课件。本课件必须紧扣大纲，按照教学目标选取课件材料和设置课件结构。

对于本科生，比例课件既是一门新课，也是液压伺服与传动内容的综合与总结。在组织课件材料和设计课件结构上，要充分利用液压比例技术与液压伺服与传动技术的联系，让同学在学习新知识的同时复习和体会旧知识，最终达到融会贯通和提高兴趣的效果。

一个典型的液压比例系统框图，如图1所示。从图中我们可以看出液压比例系统是由输入元件、比较元件、电气放大器、液压伺服（比例）控制阀、执行元件、反馈元件（闭环系统）和控制对象这几部分组成的。输入元件将指令信号引入系统的输入端的元件。该元件可以是机械的、电气的、液压的或者是其它的组合形式。比较元件将反馈测量信号和输入信号相比较，得出偏差信号的元件。电气放大器伺服阀与比例阀的电气放大器，将控制系统的控制信号（电流或电压）转换成具有足够驱动能力（功率）的电力信号用来驱动电液伺服阀或比例阀完成控制动作。液压伺服（比例）阀利用电气放大器输出的驱动电能，通过液压放大作用，转换成大功率的液压能量的元件。执行元件将控制作用施加于控制对象，实现控制目标的元件，如液压缸和液压马达。反馈测量元件在闭环控制系统中，测量系统的输出量并转换成反馈信号的元件。各种类型的传感器常用作反馈测量元件。控制对象具有被控物理量的各类生产设备，如机器工作台、刀架等。以上内容会在课件中分别得到体现，并交代这些组成部分之间的关系和工作流程。但由于本课件重点在于比例技术的教学，所以重点仍然在比例电磁铁（电机械转换元件），比例电磁阀（电液转换元件），比例容积控制（电液压源比例调节元件），比例控制基本回路，比例放大器（将控制信号转换为功率信号）[9]。除此之外本双语课件还要重点突出液压比例技术在实际项目中的工程应用，所以会添加本研究所的实际项目。

图1 电液比例闭环控制系统方框图Fig.1 Block Diagram of Electro-Hydraulic Proportional Closed-Loop Control System

3 液压比例双语课件的设计和特点

电液比例双语课件的设计思路采用先份后总最后应用。所谓先分是指将构成比例液压技术的各个单项技术进行分别阐述。这些技术分别是：比例电磁铁（电机械转换元件），比例电磁阀（电液转换元件），比例容积控制（电液压源比例调节元件），比例控制基本回路，比例放大器（将控制信号转换为功率信号）[10]。上述分技术是液压比例技术的核心，其中液压阀是重点，要充分组织材料进行阐述。

所谓总是将上述分技术融合为一个系统进行设计开发，即电液比例控制系统分析与设计。这个总的部分是连接理论学习和实际设计的指导性环节，十分重要。所谓应用是指将我液压所设计过的典型液压系统以及其他的有代表性的液压系统进行举例分析，我研究所设计的管拧机液压系统在新课件中的展示，共从我研究所从事的项目中精选出8个有代表性的实际例子，这里展示的是其中的1个，如图2所示。通过这些实际例子，阐述液压比例技术在实际的操作过程中的具体步骤和注意事项，让学生对液压比例系统的开发和评价有直观的认识。用于展示比例技术在实际项目中应用的课件展示，如图2所示。比例系统原理图，双语解释一应俱全，方便学生学习理解。

图2 管拧机液压系统的课间展示Fig.2 Course Setting Out of Tube Twisting Machine Hydraulic System

对于某一个具体的比例元件，要让学生正确深刻了解其原理，不只要在总体结构上保证正确，而且对于有很重要作用的细节设计要给予清晰的描述，因为这些点是有深刻的含义的。比如液压阀的弹簧，有的用两个，有的用一个，这二者的区别在哪里。在动画方面，关注那些重要而抽象的原理，过程。很多情况这些过程只用图片表达是很不够的，此时用动画的方式模拟比例元器件或系统的实际运行过程，能够让学生深刻理解所研究的结构在设计上的特点，从而对其工作原理有深入的把握。这里要注意的是，液压比例器件的实际运行过程有的是非常快的，有的频率达到几百赫兹，此时在阐述原理的时候可以进行“人为放缓”的方式。原则是原理和过程必须正确，动画必须清晰明了，不必原原本本的将实际过程表达出来。

在文字方面，不必像书籍那样点点滴滴都要进行详细技术，应该侧重于提示性和重点难点突出的特性，尽量简练。外文方面，由于液压比例技术的发源来自于英语系国家，所以对这门技术的准确理解也必须沿袭这些国家的思维和教育方式。不是说这些国家的教育有多先进，只是说我们在引进这项技术的时候进行了某些人的思路干预。所以编写英文部分时，必须对所论述的原理，过程的专业术语，英文的逻辑方式有准确的把握，在此基础上才能够实现启发思维的目的。

4 总结

近些年来学生的专业学习学时不断减少，液压比例技术本身兼具理论抽象性和工程实际性，而且知识点多知识结构复杂，想要达到让学生深刻理解本门课程并且有一定的设计能力，通过以往的“黑板+粉笔”的方式是不可能实现的。我研究所开发的液压比例双语课件经过精心的设计和授课老师多年教学经验的凝结，必将为提升本门课程的教学质量发挥关键性作用。面对国内没有同类双语课件，而本专业所具有的国际交流性，本课件本着用英文教材的思维模式阐述液压比例技术的原则，必将开阔学生眼界，为他们在今后的工作和学习中打下良好基础。