電液伺服控制技術(shù)的歷史與發(fā)展趨勢(shì)

1．發(fā)展歷史

電液伺服控制的發(fā)展歷程主要分早期、二戰(zhàn)期間、二戰(zhàn)后三個(gè)階段。

(1)早期。公元前247～285年，生活在亞歷山大城的古埃及人Ktesbios就發(fā)明了很多液壓伺服機(jī)構(gòu)。其中最為杰出的就是水鐘，他設(shè)計(jì)的水鐘可以顯示長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的準(zhǔn)確時(shí)間。其原理是通過節(jié)流孔將浮標(biāo)顯示的液面高度與容器形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。從某種意義上說，這種浮標(biāo)已經(jīng)具備現(xiàn)代液壓伺服閥的雛形。1750年左右，用于控制給水系統(tǒng)和蒸汽鍋爐水位的液位控制閥在英國(guó)出現(xiàn)。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，控制策略的不斷改進(jìn)，進(jìn)而影響到液壓技術(shù)的發(fā)展。

1795年，約瑟夫-布拉曼應(yīng)用帕斯卡原理制作了水壓機(jī)，1796年，莫茲利為了使水壓機(jī)更好地工作，設(shè)計(jì)了水壓機(jī)泵的密封裝置——皮碗密封。而它是現(xiàn)代密封技術(shù)的雛形。到了18世紀(jì)末期，蓄能器在英國(guó)出現(xiàn)。19世紀(jì)早期，開始采用油液代替水成為液壓系統(tǒng)的介質(zhì)，同時(shí)方向控制閥采用電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

(2)二戰(zhàn)期間。在二戰(zhàn)前夕，由于空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用要求一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械信號(hào)與氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。阿斯卡尼亞控制器公司及Askania-Werke根據(jù)射流原理發(fā)明了射流管閥并申請(qǐng)了專利。根據(jù)同樣的原理，福克斯波羅申請(qǐng)了雙噴嘴擋板閥的專利。德國(guó)西門子公司發(fā)明了永磁式力矩馬達(dá)，它可以接受通過彈簧輸入的機(jī)械信號(hào)和移動(dòng)線圈產(chǎn)生的電信號(hào)，并開創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。在二戰(zhàn)末期，伺服閥是采用滑閥閥心在閥套中移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。閥心的運(yùn)動(dòng)是直流螺線管產(chǎn)生的電磁力與彈簧產(chǎn)生的壓力共同作用的結(jié)果，因此，此時(shí)的伺服閥還僅僅是一種單級(jí)開環(huán)控制閥。

(3)二戰(zhàn)后。二次世界大戰(zhàn)之后，由于軍事的刺激，自動(dòng)控制理論特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的研究得到進(jìn)一步發(fā)展，這從另一個(gè)方面大大刺激了液壓伺服閥的研制與創(chuàng)新。1946年，英國(guó)的廷斯利發(fā)明了兩級(jí)液壓閥，雷神和貝爾飛機(jī)公司獲得了帶反饋兩級(jí)伺服閥的專利，麻省理工學(xué)院采用線性度更好、更節(jié)能的力矩馬達(dá)代替螺線管作為滑閥的驅(qū)動(dòng)裝置。

1950年，穆格發(fā)明了采用噴嘴節(jié)流孔作前置級(jí)的兩級(jí)伺服閥。在此基礎(chǔ)上，1953～1955年，卡森發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級(jí)伺服閥，穆格改進(jìn)了雙噴嘴節(jié)流孔結(jié)構(gòu)，沃爾平則將濕式電磁鐵改為干式的，消除了原來浸在油液內(nèi)的力矩馬達(dá)由油液污染帶來的可靠性問題。1957年，阿奇利發(fā)明了射流管閥作為前置級(jí)的兩級(jí)電液伺服閥，并于1959年成功研制出了z級(jí)電信號(hào)反饋伺服閥。

此時(shí)的電液伺服閥開發(fā)研制進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了電液伺服閥的性能。特別是1960年的電液伺服閥設(shè)計(jì)更多地顯示出了現(xiàn)代伺服閥的特點(diǎn)。如：兩級(jí)間形成了閉環(huán)反饋控制，力矩馬達(dá)更輕，移動(dòng)距離更小，前置級(jí)對(duì)功率級(jí)的壓差通常可達(dá)到50%以上，前置級(jí)無摩擦并且與工作油液相互獨(dú)立，前置級(jí)的機(jī)械對(duì)稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對(duì)零位的影響。

在20多年的時(shí)間里，電液伺服閥完成了從早期的單級(jí)開環(huán)控制閥到兩級(jí)閉環(huán)控制伺服閥的轉(zhuǎn)變。可以看出。那時(shí)，電液伺服閥的發(fā)展更多的是由于軍事應(yīng)用的需要，因此，它的開發(fā)是不計(jì)成本的，這也造成了當(dāng)時(shí)的電液伺服閥性能優(yōu)越但價(jià)格昂貴。

隨后，一些公司開始開發(fā)電液伺服閥的工業(yè)應(yīng)用。穆格公司于1963年研制出73系列電液伺服閥，可以滿足工業(yè)用油的清潔度要求。此后，為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，以1960年的伺服閥為基礎(chǔ)的伺服閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制仍在繼續(xù)。如閥的體積變大（與航空用閥相比），材料也不再是鍛鋼；先導(dǎo)級(jí)獨(dú)立出來，以方便維修和調(diào)試；閥的許用壓力范圍降低至10MPa到20MPa，而不再是原來的30MPa；開始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，以降低成本和滿足通用的要求。

2．發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前電液伺服閥的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、材料的使用及測(cè)試方法的改變上。

(1)結(jié)構(gòu)方面。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，針對(duì)伺服閥常見故障進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)手段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以滿足閥的性能要求，如直驅(qū)式伺服閥的產(chǎn)生、壓電陶瓷式伺服閥的出現(xiàn)。此外，還有利用三裕度技術(shù)對(duì)伺服閥的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套。若某個(gè)關(guān)鍵元件發(fā)生故障，可隨時(shí)切換另外備用套，從而保證閥的正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

(2)材料方面。在材料替換方面，可以針對(duì)電液伺服閥的性能要求，對(duì)特定的零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更優(yōu)越的材料。對(duì)密封圈的材料進(jìn)行更替，可以使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。用紅寶石材料制作噴嘴擋板，可以防止因氣饋造成擋板和噴嘴的損傷，而降低動(dòng)靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。此外，永磁式力矩馬達(dá)中電磁鐵的材料采用超磁致伸縮材料，可以提高電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

(3)測(cè)試方面。在對(duì)電液伺服閥的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)量?jī)x器本身的影響、外界電磁信號(hào)的干擾等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，嚴(yán)重時(shí)不能正確反映伺服閥的性能。

此外，盡可能地提高測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度，可以更準(zhǔn)確地反映伺服閥產(chǎn)品本身的特性，有助于保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及經(jīng)濟(jì)性。因此，很多個(gè)人及單位對(duì)測(cè)試儀器、測(cè)試技術(shù)等做了深入的研究。