电液伺服控制技术.docx

1、中国地质大学研究生课程论文封面课程名称电液伺服控制技术教师姓名 张 萌研究生姓名 邹祖杰研究生学号 120110807研究生专业所在院 系机械与电子信息学院类 别硕士日 期 2012年6月22日评 语注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。对课程论文的评语：平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：电液伺服控制技术概论摘要：当前的电液伺服控制技术已经能将自动控制技术、液压技术与微电子技术有机地结合 起来，形成新一代的电液伺服控制技术。而随着电子设备、控制策略、软件及材料等方面的 发展与进步，电液控制技

2、术及伺服阀产品将在机、电、液一体化方面获得长足的进步。本文 将从电液伺服控制技术含义、发展、研究及应用现状、发展趋势等方面作扼要阐述。关键词：电液控制；伺服系统；发展；研究；应用；发展趋势Abstract:The current electro-hydraulic servo control technology can already will automatically control technology, hydraulic technology and microelectronics technology organically, and form a new generation

3、 of electro-hydraulic servo control technology. And as the electronic equipment, control strategy, software and materials, and other aspects of the development and progress of the electro-hydraulic control technology and servo valve products will be in the machine, electricity, liquid integration ha

4、s made significant progress. This paper from the electro-hydraulic servo control technology meaning, development, research and application status and development trend of explained.Key words:Electrohydraulic control; Servo system; Development; Research; Application; Development trend一、概述电液伺服控制技术是基于机

5、、电、液一体化的一项综合控制技术。通过将自动控制、液 压技术及微电子技术等有机结合，形成一项高精度、高效率的自动化控制方法。液压伺服系统也称为液压跟踪系统或液压随动系统。是一个负反馈控制系统。电液伺服系统的分类方法很多，可以从不同角度分类，如位置控制、速度控制、力控制 等；阀控系统、泵控系统；大功率系统、小功率系统；开环控制系统、闭环控制系统等。根 据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。以电液伺服闭环控制 为例，输出为位置、速度、力等各种物理量；控制元件为伺服阀（零遮盖、死区极小、滞环 小、动态响应高、清洁度要求高）；控制精度高；响应速度快；用于高性能场合。系统的一 般

6、构成如图1.1所示七液压源被控制对象图1.1电液伺服系统的一般构成二、电液伺服控制技术的发展液压控制技术的历史最早可追溯到公元前240年，一位古埃及人发明了人类历史上第 个液压伺服系统一一水钟。然而在随后漫长的历史阶段，液压控制技术一直裹足不前，直到 18世纪末19世纪初，才有一些重大进展七19世纪液压技术开始走向工业应用，工业技术发展的需求，为液压技术发展创造了决 定生条件。Askania调节器公司及Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。同样， Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。而德国Siemens公司发明了一种具有永磁马达及接 收机械及电信号两种输入的双输入阀，

7、并开创性地使用在航空领域20世纪初控制理论及 其应用飞速发展，使古典控制理论走向成熟，这为电液伺服控制技术的出现与发展提供了理 论基础与技术支持。1946年，英国Tinsiey获得了两级阀的专利；Raytheon和Bell航空发明 了带反馈的两级阀；MIT用力矩马达替代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好。 1950年，W.C.Moog第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。1953年至1955年间，T.H.Carson发 明了机械反馈式两级伺服阀；W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀；Wolpin发明了干式力矩 马达，消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。1957年R.Atc

8、hley 利用Askania射流管原理研制了两级射流管伺服阀。并于1959年研制了三级电反馈伺服阀。 1960年，BLACKBURN出版了第一本液压科学著作液压气动控制，将控制理论与液压 系统结合起来，为电液伺服理论和实践奠定了基础。1967年H E MERRIT的液压控制系 统科学著作问世，系统地、全面地阐述了液压控制理论，将古典控制理论应用于液压系统 的建模、分析与设计中，完善了电液伺服系统的经典设计理论囱。20世纪50年代初，在苏联的帮助下，我国的液压工业开始起步。而电流伺服系统的研 究始于20世纪60年代末。我国第一部关于电液伺服系统的专著是在1979年，由工占林， 李培滋主编的飞机液

9、压传动与伺服控制一书，成为国内最早建立了液压技术的经典理论 体系的科学著作叫气1981年，李洪人的液压控制系统和王春行的液压伺服控制系统两部中文科学 著作问世，在MERRITT的液压控制系统的基础上，系统地液压控制系统的基本理论及 应用、典型系统和主要元件与设计方法。尤其是李洪人的液压控制系统，成为我国电液 伺服系统方面的经典著作BH9o在此之后，电液伺服系统的设计理论日臻成熟,在科技领域和工业技术领域已广泛应用。 随着伺服阀工业运用场合的不断扩大，某些生产厂家研制出了专门使用于工业场合的工业伺 服阀。Moog公司在1963年推出了第一款专为工业场合使用的73系列伺服阀产品。随后， 越来越多的

10、专为工业用途研制的伺服阀相继出现。20世纪70年代，美国MTS公司研制出 了以电液伺服系统为驱动的地震模拟振动台，将电液伺服系统与复杂机构结合起来，开创了 基于电液伺服系统的系统集成设计的先河网。三、电液伺服控制技术的研究和应用现状电液控制技术的研究和应用，从两个方面展开：一是电液伺服基础元件的研究，包括伺 服阀和液压缸等；二是电液伺服系统控制方法与应用技术的研究。进入21世纪，电液伺服 控制技术的研究日益活跃，从基础元件和伺服系统两方面均取得了突出的研究成果。3.1电液伺服基础元件研究现状群控系统（DNC）和柔性制造系统（FMS）等新工艺装备的使用，计算机辅助设计（CAD） 和计算机辅助测试

11、（CAT）的广泛应用，为我们简化伺服阀结构，完善设计，降低工艺制造 成本和管理费用，提高产品性能，稳定产品质量，增加产品可靠性和延长使用寿命创造了极 其有利的条件。电液伺服阀的结构改进、测量和测试设备技术、动态性能研究、故障检测技 术和新型阀的研制等方面即是当下研究的热门课题。3.1.1伺服阀的结构改进（1）在电液伺服阀的部分结构上，主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改 造，以提高相关性能叫。从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上，采用不同的磨配原理，如磁 力研磨法等原理来提高阀的工作性能。（2）从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上，采用不同的磨配原理，如磁力研磨法等原理来 提高阀的工作性能

12、。阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心，阀套窗口棱边的几何精度决 定了阀的工作性能。（3）利用优质材料进行伺服阀装配FA表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂、树酯等， 使用后没有凝固物及杂质产生，与矿物油、液压油等是相溶的。还有金属清洁与去污特性。 所以可以改善润滑条件，解决压装中的难点询。3.1.2测量和测试设备技术CAT在对液压伺服阀的静、动态特性进行试验测量时，由于测量仪器本身的振动、热噪声和 外界的高频随机干扰使被采集的信号中混有相当成分的高频噪声，使信号特征不能真实反映 伺服阀实际性能。因此研制对电液伺服阀进行高精度、高可靠性而易于操作的计算机辅助 实时测试设备技术非常必要，为电液伺服

13、控制系统的设计或调整，提供准确可靠的伺服阀实 际特性依据。（1）有关静态特性的测试技术-测频/测周法从简化测试系统，方便操作方面，对电液伺服阀的额定流量（大流量）和泄漏流量（小 流量）的测试，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。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，目前，有专家开了发一套用光栅传感器测量流量的装置，实现了静态特性的流 量测试虬（2）有关动态特性的测试技术易建钢等人利用“柔性化”设计原则和“虚拟仪器”的设计思想，用数字滤波技术达到 准确有效的测试。王向周等人利用伪随机信号的谱分析法在阀的某一个

14、工作点附近进行测 试，不但避免了非线性的影响，而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试何。（3）电液伺服阀综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，实现了电液伺服阀动、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*。3.1.3动态性能研究在电液伺服阀动态性能理论分析中，通过分析伺服阀结构原理，辨识其非线性数学模型, 再进行仿真研究，以证明动态数

15、学模型的正确性，为电液伺服系统的设计、控制策略的研究、 电液伺服阀的工作性能认知提供研究的平台。采用不同的输入信号（正弦、脉冲等）对电液 伺服阀进行试验，求出其动态数学模型。还可用一种新的混沌遗传算法，结合混沌优化方法 与改进型遗传算法IGA （Improved Genetic Algorithm）各自的优点，能够解决传统上用伪随 机信号进行系统辩识时参数选择的不确定性问题，而且准确、快速。利用多目标优化理论， 建立统一的目标函数，然后运用优化算法对模型进行优化，获得改善阀动态性能的一组结构 参数，从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。影响系统稳定性的研究，主要从减小阀分 辨率误差以及系统的频

16、带等因素进行，王向周等对三级电液伺服阀加入PD校正环节展宽了 频带和减小了先导二级伺服阀的阻尼系数，有利于三级阀系统的稳定。3.1.4故障检测技术液压伺服阀具有时变、非线性、液固耦合等特点，由于设计参数、制造工艺、工作条件 和环境的影响，往往会引起堵塞、磨损、疲劳、气蚀、老化、泄漏等多种形式的失效，使液 压控制系统不能继续正常工作。一般运用BP神经网络、专家系统等智能方法对电液伺服阀 进行故障诊断和模式识别。如利用伺服阀静动态特性曲线对阀的常见故障进行了专家系统和 伪随机信号的谱分析法离线和在线诊断分析；针对故障特征信号具有局部时变特征，将小波 变换检测信号奇异点并区分不同奇异类型的实用技术应

17、用于电液伺服阀典型故障的诊断；电 液伺服阀故障模糊综合评判方法等。张若青利用系统原有信号如位置、压差等信号，通过动 态神经网络建立伺服阀的动态模型，实时监控伺服阀的工作状态，在故障发生时，及时准确 定位伺服阀故障。袁兵等在自适应神经-模糊推理系统（ANFIS）的结构辨识基础上，利 BP算法与最小二乘法相结合的混合算法，实现ANFIS的参数辨识，建立了适用于电液伺服 阀的故障模式识别的，从而有效地解决了电液伺服阀故障的多样性和不确定性的难题，实 现了电液伺服阀故障的智能诊断，7181o3.1.5新型伺服阀的研制近年来，随着微型计算机的广泛使用，新材料的应用，新型伺服阀的研制得到了相当大 的进展。

18、以适应新的要求，例如高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰、抗油 液污染、使用方便和成本低廉等等。（1）新材料、新技术、新工艺的应用以压电元件、超磁致伸缩材料（GMM）、电致伸缩材料（PMN）以及形状记忆合金（SMA） 等为转换器的电液伺服阀，具有高频响，高精度等优点，使液压伺服控制系统的频宽跃上了 一个新的台阶网。国外在20世90年代初已开发了直接驱动式电液伺服阀，作为双喷嘴挡板式电液伺服阀 的补充和发展。目前，国外能生产这种直动式电液伺服阀的厂家有多家。SV1 10型伺服阀 是德国某公司近年来研制出来的一种新产品，它采用了带有高度缝隙调节的旋转盘结构，不 仅保证了最小的摩擦损失，同

19、时也减少了运动件的惯量，提高了其自振频率，因此该阀具有 较高的重复精度和较大的功率范围。国内姚建庚等于2000年成功地开发出了一种抗污染能 力强、动态指标高的直动式电液伺服阀。利用直线力马达直接驱动滑阀工作，从而提高了 电液伺服阀的抗污染能力，是传统的喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。（2）模拟控制方式向数字控制方式的转变电液数字控制的实现方法一般有两种，其为采用传统的模拟式控制元件，通过D/A 转换实现其数字控制。其二为直接数字控制，它是采用步进电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、无滞环等优点如。 3.1.6液压缸的研究液压缸的研究主要针

20、对液压缸的低摩擦力、抗测向力、高频振动的适应能力、无泄漏和 高寿命等几个方面的研究。研究主要集中在液压缸的密封形式和密封材料、活塞杆支撑方式 的研究。此外为适应超大的运动范围、高频振动和结构紧凑的要求，提出了高横向刚度的液 压缸的研究。国外这种高端液压缸的设计和生产均达到了很高的水平，能够提供标准系统产 品的公司也很多，如美国的MTS、Shorewest、TEAM 公司，德国的1ST、HANCHEN,英 国的SERVOTEST和日本的鹭工、三菱等D1：Do国内在液压缸方面的研究和生产较国外落后很多。目前国内除组合密封的液压缸具有标 准化和系列化产品外，高端的液压缸如间隙密封型、静压支撑型和特殊

21、要求的特型液压缸的 设计和生产能力基本还不具备，不能提供标准产品。随着我国科学技术和工业技术的发展， 这种高端液压缸的需求越来越多，为我国研制这样高端液压缸提供了强有力的牵引。3.2电液伺服系统控制方法与应用技术的研究3.2.1新型驱动系统直驱技术，也称无阀系统，以交流电机伺服控制系统代替电液伺服阀，使得这一新型电液伺 服系统具有体积小、可靠性高、节能等优点，适用于液压传动及要求不太高的伺服控制场合。 在该方向研究的主要内容有高性能液压泵的研究、非对称型液压缸实测方法的研究和系统集 成性等方面的研究狗。3.2.2控制方法的研究电流伺服系统是典型的非线性时变系统，如何应用现代控制方法提高系统的适

22、应性和鲁棒性 一直是电液压伺服系统研究的特点。现代的控制方法主要有最优控制、自适应控制、鲁棒控 制、模糊控制、智能控制以及Hg控制等。3.2.3基于电液伺服系统的集成技术的研究这一领域是电液伺服系统研究的热点与前沿。该技术是多技术领域知识的融合，将电流伺服 系统与测量传感技术、机构分析分析、现代控制理论、多目标优化等理论与技术结合起来， 为电液伺服系统的应用研究开辟了广阔的前景2425随着科学技术的发展，电液伺服控制技术研究的不断深入，电液压伺服控制技术已经广 泛应用于工程、生产制造、航空航天、武器等各个领域，电液伺服控制技术将会成为左右国 家工业生产、经济发展以及国家安全等方面的关键技术之、

23、四、电液伺服控制技术的发展趋势从国内外电液伺服技术的研究现状来看，为适应液压伺服系统向高性能、高精度和自动 化方向发展需要，伺服控制技术发展趋将体现在如下方面闰:（1）标准化目前，国内在研究、生产和使用电液伺服阀方面虽然已初具规模，型号品种也基本相当于国 外大部分产品，但由于各自为政、力量分散，标准不很规范，十分不利于伺服阀的进步发 展。因此，着重解决标准化问题已成当务之急。（2）虚拟化利用CAD技术全面支持伺服阀从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件详 细设计的全过程，并把计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助工 艺规划（CAPP）、计算机辅助检验（CAI

24、）、计算机辅助测试（CAT）和现代管理系统集成 在一起，建立计算机制造系统（CIMS）使设计与制造技术有一个突破性的发展。（3）智能化发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能（故障诊断、故障排除）的智能化伺服阀， 进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件，实现自动测量和诊断。还应开发自补偿系统， 包括自调整、自润滑、自校正，这是液压行业努力的方向。另外，借助现场总线（Field Buses）, 实现高水平的信息系统，从而简化伺服阀的使用、调节和维护。（4）数字化电子技术与液压技术的结合的一个方向。通过把电子控制装置安装于伺服阀内或改变阀的结 构等方法，形成了种类众多的数字产品。阀的性能由软件控

25、制，可通过改变程序，方便地改 变设计方案、实现数字化补偿等多种功能。（5）微型化随着液压技术的进步及竞争的加剧，微型伺服阀的技术以体积小、重量轻、单位功率大等优 点而越来越受到重视。研究重点增大压力的优势，应用先进材料和复合材料降低重量和铸造 工艺的发展，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，实现元件小 型化。(6) 绿色化减少能耗、泄漏控制、污染控制。将发展降低内耗和节流损失技术以及无泄漏元件，如实现 无管连接，研制新型密封等；发展耐污染技术和新的污染检测方法，对污染进行在线测量； 可采用生物降解迅速的压力液体，如菜油基和合成脂基的传动用介质将得到广泛应用，减少 漏油对环

26、境危害，适应环境保护(降低噪声和振动、无泄漏)。五、总结21世纪是我国经济和科学技术高速发展的时代，液压技术是工业的基础，电液伺服控 制技术是液压技术中的一个重要组成部分，在科学技术发展中起着日益重要的作用。当前的 电液伺服控制技术已经能将自动控制技术、液压技术与微电子有机的结合起来，形成新一代 的伺服阀产品。而随着电子设备、控制策略、软件及材料等方面的发展与进步，电液控制技 术及伺服阀产品将在机、电、液一体化获得长足的进步。经过几十年的努力，我国在电液伺 服控制及系统集成设计方面已经达一了国际先进水平。但在基础核心元件研究和制造方面， 与世界先进水平相比还有很大差距。这个差距也给我国科研工作

27、者指明了研究方面，从事该 领域的研究者应致力于改变我国核心元部件依赖进口的局面。通过对电液伺服控制技术课程的学习，我在液压控制方面的知识又有了很大进步， 对现今电液伺服控制技术在国际以及国内大环境下的研究、应用和发展有了一定的宏观认 识，这将对我今后从事的研究方向有很大益处。在此，感谢给我答疑解惑的老师和同学！参考文献1 毛智勇，徐胜利，闵莉艳.高频电液伺服比例阀发展展望J.液压与拨动，2012年第3期。2 J. C. Jones Developments in Design of Electrohydraulic Control Valves Form Their Initial Desig

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