现代液压技术的发展现状

关键词：液压技术；研究成果；发展趋势
中图分类号：TH137
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）02－0054－04
Development Status Quo of Modern Hydraulic Technology LI Shuo-wei， ZHANG Guo-xian
（School of Mechatronics and Automatization，Shanghai University，Shanghai 200072，China）
鲁棒控制是解决系统抗干扰、抗抖动的另一种方法， 它亦是当前控制界研究的热点之一。在流体控制界鲁棒 控制研究得较多的是两类：一类是变结构控制，另一类是 H∞ 控制。
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（1）变结构控制（VSC） 变结构控制亦称滑动模态控制（SMC），它是 1950 年 代在苏联出现并发展起来的。变结构控制器是由若干个 不同连续的子系统组成，这些子系统的参数不同或结构 不同，系统在工作过程中控制器根据某种函数规则在这 些子系统之间切换，目的是改善全系统的动静态特性。 VSC 得以建立的概念及理论基础是相平面方法。VSC 的 突出优点是滑动模态（SM）对系统摄动和外部干扰的不 变性（完全鲁棒性）。在设计 VSC 时要求解切换函数（切 换面）问题，系统若在该切换面（滑模面）上工作时，能保 证有良好的工作性能；要保证滑态可达条件，即保证系统 若不在滑模面上时能达到该面上；要设计合理的控制律 等。当前 VSC 除用于线性系统外，还被用到：（a）非线性控 制系统；（b）大系统；（c）离散时间系统；（d）分布式系统； （e）时滞系统；（f）随机系统等。 VSC 的主要缺点是存在着抖动，因它是属于开关控 制系统，要在切抽象面上不断切换，而切换常带有滞后 （空间滞后与时间滞后），因而产生抖振。产生抖振当然还 有一些其它原因。此外要将 VSC 用于分布参数系统，时 滞系统及随机系统则还有不少问题待进一步研究解决。 （2）H∞ 控制 H∞ 控制是加拿大学 者 G.Zames 于 1981 年 提 出 来 的，H∞ 鲁棒控制的实质是为多输入多输出（MIMD）且具 有模型摄动的系统提供了一种频域的鲁棒控制器设计方 法。H∞ 鲁棒控制理论很好地解决了常规频域理论不适于 MIMO 系统设计及 LQG（线性二次高斯）理论不适于模型 摄动情况这两个难题，其计算复杂的缺点已因计算机技 术的飞速发展及标准软件开发工具箱的出现而得到克 服，故近 10 年来已成为控制理论的一个热点研究领域， 并已取得了一些实际应用成果。 2.4 模糊控制（FC）与专家控制（EC）系统 就人类最初对事物的认识来看，都是定性的、模糊 的、非精确的，因此将模糊信息引入智能控制具有十分重 要的意义。这方面工作首先由 Zadeh 建立的模糊集合论 开始的，到了现在，模糊控制（FC）广泛地应用于工业的各 个领域，尤其是家用电器的自动化方面。FC 所以如此广 泛被使用，因它具有一般智能控制诸重要的优点外，还因 FC 简单，且是解决不确定性系统控制的一种很有效的途 径。FC 在流体控制中应用得较广泛。 FC 虽有很多优点，但亦有一些限制其应用的缺点， 主要有精度较差（因分档总有限），不能实现如 LQR 那样 的最优控制以及不能自动修正控制规则等。为了克服这 些缺点，最重要的方法是将 FC 与其它控制策略结合，以 形成一种新的复合控制系统（Hybrid Control System）。如 FC 与最优控制相结合：FC 与 PID 相结合，当误差小至一 定程度后，由 FC 转入 PID 控制，亦可形成 PID 智能控制 系统；FC 与神经网络 NN 相结合，使具有自学习（自动刷 新 FC 规则）的能力等等。 专家控制（EC）是智能控制的一个重要分支，亦是用
Abstract： This paper introduces some research achievements and the development trends and requirements of hydraulic technology in the field of science technology from diferent aspects. It also points out that the direction of hydraulic to automation, high-precision, high-efficiency, high-speed, high power, small size, lightweight is the key of constantly improving competitiveness with electrical transmission and mechanical transmission. Key words： hydraulic technology; research achievement; development trends
用场合的材料配方以强化某一方面的性能。 目前，尽可能地提高动密封对偶件的表面光洁度，也
已成为提高密封效果的一种共识。这种共识也是基于对 PTFE 材料的密封机理的认识而达成的。
密封领域的另一个创新领域主要集中在密封件形状 的设计上。目前，已可用有限元分析等方法对密封件的压 力梯度作出分析，从而可事先知晓其密封性能。
液压元件近年来的主要成果： （1）元件的小型化、模块化 元件的小型化，如电磁阀的驱动功率逐渐减小，从而 适应电子器件的直接控制，同时也节省了能耗。元件的功 能日益复合，如螺纹插装阀的大量运用，使系统的功能拓 展更灵活。 （2）节能化 变量泵在国外的研发已日趋成熟。目前，恒压变量、 流量压力复合控制，恒功率、比例伺服控制等技术已被广 泛地集成到柱塞泵上。节能、减少系统发热已成为系统设计 时必须考虑的问题之一。值得一提的是变频调速技术得 到了足够的重视。采用定量泵变转速的方案是与恒转速 变量泵相异的一种思路。目前的研究尚处于初步阶段。
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（3）新材料的应用 新材料如陶瓷技术的使用是与非矿物油介质元件的 要求及提高摩擦副的寿命联系在一起的。目前，已有德、 英、芬兰等国的厂商在纯水液压件上使用了该项技术。 新型磁性材料的运用是与电磁阀、比例阀的性能提 高结合在一起的。由于磁通密度的提高，可以使阀的推力 更大，其直接作用便是阀的控制流量更大，响应更快，工 作更可靠。 （4）环保 环保的要求体现了现代工业的人文关怀。环保的液 压元件应当至少无泄漏及低噪声，这也是液压元件发展 的一个永恒的主题。 （5）非矿物油介质元件 非矿物油介质元件是应用于特殊场合的元件，如要 求耐燃、安全、卫生，此时就需要考虑采用高水基或纯水 元件。能源危机催生了该类元件的诞生，但目前的发展动 力可能更大程度上与环保、工作介质的廉价及其安全性 相关。目前，丹麦的 Danfoss 公司提供了成套的 NESSIE 系列纯水液压元件，已在食品等行业得到了运用。 1.2 系统集成与控制技术 （1）比例阀技术 比例阀的发展主要在频宽的增大及控制精度的提高 上，以期性能接近伺服阀。同时，比例阀又沿着标准化、模 块化及廉价的方向发展，以促进其应用。前者如 Bosch 的 带位置反馈的比例伺服阀，其性能已很接近电液伺服阀 的性能。后者如螺纹插装式比例阀，在某些工程机械中得 到了运用。 （2）电液伺服技术 电液伺服阀是最早将液压技术引入自动控制领域的 功臣。但电液伺服阀的结构自发明以来，就少有改进。除了 在传统的需要特别高频响的场合外，其传统地位正日益受 比例技术的挑战。MOOG 公司也开始生产与比例阀类似的 采用永磁式线性力马达的直接驱动式伺服阀（DDV）。 （3）控制理论 控制理论是该领域最为活跃的一个分支。液压控制 系统正从不断发展的自动控制理论中得益，并不断丰富 自控理论的实践。目前，自适应控制、鲁棒控制、模糊控制 及神经网络控制等均得到了不同程度的运用。 1.3 密封技术 自从液压技术诞生以来，泄漏一直是困扰着业界人 士的一大难题。伴随着泄漏的是：矿物油的浪费及对环境 的污染、系统传动效率的降低等等。 在静密封领域，橡胶类密封件拥有不可替代的地位， 当然，根据应用场合（如温度）的不同，又有丁腈橡胶及氟 橡胶之分。在动密封领域，聚四氟乙烯（PTFE）已拥有不 可动摇的地位。近年来，密封技术的进步也主要集中在 PTFE 的使用方面。随着对材料及密封机理的深入了解， 已可以在 PTFE 中有针对性的添加某些材料以达到提高 性能的要求。国外许多大的密封件公司均有针对不同应
此外，O 型密封圈及簧片作为弹性体，在保证 PTFE 密封件低压时的密封性能方面已得到广泛认同。在直线 密封及旋转密封技术方面，使用成套的密封件来提高密 封性能已成为一种标准的解决方案。 2 流体传动的控制理论
液压伺服控制是一种典型的伺服控制，随着控制理 论的不断发展而发展，纵观当今液压伺服控制的研究现 状，控制学科的一些较成熟的研究成果，从优化控制、PID 控制到各种智能控制，液压伺服控制差不多都用上了。下 面对这几种控制策略进行一下介绍。 2.1 PID 控制及优化控制
液压技术近几年发展的速度是非常迅猛的，尤其在 电子技术、微机控制日益发展的今天，液压技术已迅速渗 入到各个学科领域。确切地说，“液压”是电子和机械技术 之间的一种技术，把“传动”和“控制”结合起来是液压技 术发展的必然结果。
液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之 一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液 压元件的总销售额为 350 亿美元。据统计，世界各主要国 家液压工业销售额占机械工业产值的 2%~3.5%，而我国 只占 1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努 力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。但是近年来， 液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数 控机床、中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取 代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗漏、维护性差 等缺点。为此，必须努力发挥液压气动技术的优点，克服 缺点，注意和电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时 降低能耗，提高效率，适应环保需求，提高可靠性，这些都 是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产 品参与市场竞争是否取胜的关键。
这两方面的控制是 1940 年代后发展起来的，所谓经 典控制理论的代表。它们在液压伺服控制中使用得最广 泛亦最成熟。在当今现代控制及智能控制被广泛研究或 使用时，PID 与优化控制又与之紧密结合，发展成新的具 有自适应与鲁棒特性的控制策略。如 PID 控制与模糊控 制结合，克服了它的固有缺点（无自适应能力）；最优控制 与遗传算法相结合，形成了遗传算法优化控制策略，使快 速有效、全局优化的优化算法得到发展。但这两种控制亦 有其局限，如它只适应较简单的对象，如果被控对象变化 较大，控制器要重新调整；对非线性、时变、耦合及参数不 确定的较复杂系统就无能为力。 2.2 自适应控制
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现代液压技术的发展现状
李硕卫， 张国贤 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072）
摘 要：从不同侧面介绍了当今科学技术领域中液压技术的一些研究成果及以后的发展趋势和要求。指出液压传动向
自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。
自适应控制最早是由美国 MIT 提出的所谓参数优化 模型参考自适应控制。如众所周知，我们液压伺服控制中 使用或研究得较成熟或较多的有自校正控制与模型参考 自适应控制两大类。自适应控制系统的最大特点是被控 对象能自动适应工作环境及自身参数在一定范围内的变 化（即不确定性），使系统始终保持在优化状态下工作。自 适应控制理论的发展是控制理论的一大进步，它改变了 控制系统只能在事先确定的各参数状态下工作 （否则就 不能实现优化）的局限性。当前各种自适应控制在液压伺 服系统中有一定的应用，但由于其自身的缺点，因此使用 并不广泛。其主要的局限性如在线计算工作量大，需要知 道数学模型或一些先验知识，要满足李雅普诺夫或波波 夫稳定性条件等等。此外，传统的自适应控制器在处理非 线性、可变结构及大滞后对象时亦比较困难。 2.3 鲁棒控制
经过近一个世纪的发展，液压技术在机械结构及流体原 理方面已鲜有创新。但液压技术却从与之相关的技术中 得益良多。正如 1998 年德国国际流体技术年会（IFK）上 引用的数据表明：近 2O 年来，液压技术的发展来源于自 身的科研成果仅约 20％，来源于其他领域的发明占 50％， 移植其他技术成果占 30％。
本文将从当今的一些研究成果和未来的发展趋势对 液压技术做一个详细的介绍，其中包括了液压技术的现 状、流体传动的控制理论、液压技术的发展动向和展望。 1 液压技术的现状
20 世纪是液压技术快速发展的一个世纪。从 20 世 纪初的矿物油作为动力传递介质概念的引入，到柱塞泵、 三大类阀的发明，到四、五十年代电液伺服阀的发明和电 液伺服控制理论的确立，再到 1970 年代插装阀及比例阀 的发明，这些都是液压技术领域极具革命性的技术进步。
液压技术正是在汲取与其相关技术并与替代性技术 的竞争中得以发展的。可以说，电气传动与机械传动不单 纯是与液压技术相竞争的技术，其互相的融合也正是技 术发展，完善的一种方向。就目前而言，液压技术主要在 以下领域中拥有不可替代的作用：需要大功率传递、要求 功率重量比大的场合；需要高动态响应的场合。下面从液 压元件、系统集成与控制、密封技术等方面分别阐述液压 技术的现状。 1.1 液压元件