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数字液压元件（digital hydraulic component），是具有流量离散化（fluid flow discretization）或控制信号离散化（control signal discretization）特征的液压元件，含有数字液压元件的液压系统为数字液压系统（digital hydraulic system）。
数字液压元件节流损失小、重复性好、与计算机接口方便、抗干扰性好，适宜在液压控制系统中应用，数字控制是液压元件智能化的重要基础。
数字阀的出现是液压阀技术发展富有意义的成就，其效益是显著的：直接与计算机连接，无需D/A转换元件，极大提高了控制的灵活性；机械加工相对容易，成本低；功耗小；对油液不敏感。
图1-4为现有数字阀产品及分类。从现有的液压阀元件来看，狭义的数字阀特指由数字信号控制的开关阀及由开关集成的阀岛元件。广义的数字阀则包含由数字信号或者数字先导控制的具有参数反馈和参数控制功能的液压阀。
图1-4 数字液压阀分类
从数字液压阀的发展历程可以将数字阀的研究分为两个方向：增量式数字阀与高速开关式数字阀。增量式数字阀将步进电机与液压阀相结合，脉冲信号通过驱动器使步进电机动作，步进电机输出与脉冲数成正比的步距角，再转换成液压阀阀芯的位移。20世纪末是增量式数字阀发展的黄金时期，以日本东京计器公司生产的数字调速阀为代表，国内外很多科研机构与工业界都相继推出了增量式数字阀产品。然而，受制于步进电机低频、失步的局限性，增量式数字阀并非目前研究的热点。
高速开关式数字阀一直在全开或者全闭的工作状态下，因此压力损失较小、能耗低、对油液污染不敏感。相对于传统伺服比例阀，高速开关阀能直接将ON/OFF数字信号转化成流量信号，使得数字信号直接与液压系统结合。近些年来，高速开关式数字阀一直是行业研究热点，主要集中在电-机械执行器、高速开关阀阀体结构优化及创新、高速开关阀并联阀岛以及高速开关阀新应用等方面。
20世纪中期开始，对于高速开关电磁铁的研究就一直是高速开关阀研究的重点。英国LUCAS公司、美国福特公司、日本Diesel Kiki公司、加拿大多伦多大学等对传统E型电磁铁进行改进，提高了电磁力与响应速度。浙江大学研发了一种并联电磁铁线圈，增大了电磁力，试验显示电磁铁的开关转换时间与延迟都明显缩短。芬兰阿尔托工程大学（Aalto University School of Engineering）研究了5种软磁材料，用于探讨电磁铁线圈的效果以及不同匝数及尺寸对驱动力的影响。奥地利林茨大学（University Linz）对加工误差、摩擦力和装配倾斜造成的电磁铁性能差异进行了详细的分析。
超磁致伸缩材料与压电晶体材料的应用为高速开关阀的研发提供了新思路。瑞典用超磁致伸缩材料开发了一款高速燃料喷射阀。通过控制驱动线圈的电流，使超磁致伸缩棒产生伸缩位移，直接驱动阀口开启或关闭，达到控制燃料液体流动的目的。这种结构省去了机械部件的连接，实现燃料和排气系统快速、精确的无级控制。超磁致伸缩材料对温度敏感，应用时需要设计相应的热抑制装置和热补偿装置。中国航天科技集团公司利用PZT材料锆钛酸铅二元系压电陶瓷的逆压电效应，研发了一款由PZT压电材料制作的超高速开关阀，如图1-5所示。该阀在额定压力10MPa下流量为8L/min，打开关闭时间均小于1.7ms。压电材料脆性大，成本高，输出位移小，容易受温度影响，因此其运用受到限制。浙江大学欧阳小平等与南京工程学院许有熊等就压电高速开关阀大流量输出和疲劳强度问题设计了新的结构，并进行了仿真与实验分析。
图1-5 PZT高速开关阀结构示意图
美国Purdue大学研制了一种创新型的高速开关阀电-机械执行器EAC（energy coupling actuator），如图1-6所示。其包括一个持续运动的转盘和一个压电晶体耦合装置。转盘一直在顺时针运动，通过左右两个耦合机构分时耦合控制主阀芯的启闭。试验表明5ms内达到2mm的输出行程。
图1-6 压电EAC原理概念图
高速开关阀常用的阀芯结构为球阀式和锥阀式。浙江大学周盛研究了不同阀芯阀体结构液动力的影响及补偿方法。通过对阀口射流流场的试验研究，观测了流场内气穴现象及压力分布状况。美国BKM公司与贵州红林机械有限公司合作研发生产了一种螺纹插装式的高速开关阀（HSV），使用球阀结构，通过液压力实现衔铁复位，避免了弹簧复位时由于疲劳带来的复位失效。推杆与分离销可以调节球阀开度，且具有自动对中功能。该阀采用脉宽调制信号（占空比为20%～80%）控制，压力最高可达20MPa，流量为2～9L/min，启闭时间≤3.5ms。该高速开关阀代表了国内产业化高速开关阀的先进水平，如图1-7所示。
图1-7 贵州红林HSV高速开关阀
美国Caterpillar公司研发了一款锥阀式高速开关阀，如图1-8所示。该阀的阀芯设计为中空结构，降低了运动质量，提高了响应速度与加速度。复位弹簧从衔铁位置移动至阀芯中间部位，使得阀芯在尾部受到电磁力，中间部位受到弹簧回复力，在运动过程中更加稳定。但是此设计使得阀芯前后座有较高的同轴度要求，初始气隙与阀芯行程调节较难，加工难度高，制造成本大。该阀开启、关闭时间为1ms左右，已经在电控燃油喷射系统中得到运用。美国Sturman Industries公司开发了基于数字阀的电喷系统，所用高速开关阀最小响应时间可达0.15ms。
图1-8 Caterpillar公司的锥阀式高速开关阀
除了采用传统结构的高速开关阀，新型的数字阀结构也是研究的重点。明尼苏达大学（University of Minnesota）设计了一种通过PWM信号控制的高速开关转阀，如图1-9所示。该阀的阀芯表面呈螺旋形，PWM信号与阀芯的转速成比例。传统直线运动阀芯运动需要克服阀芯惯性，电-机械转换器功率较大，而该阀的驱动功率与阀芯行程无关。在试验压力小于10MPa的情况下，该阀流量可以达到40L/min，频响100Hz，驱动功率30W。
图1-9 高速开关转阀
浙江工业大学在2D电液数字换向阀方面展开研究，如图1-10所示。其利用三位四通2D数字伺服阀，在阀套内表面对称地开一对螺旋槽。通过低压孔、高压孔与螺旋槽构成的面积，推动阀芯左右移动。步进电机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度范围内转动。该阀利用旋转电磁铁和拨杆拨叉机构驱动阀芯作旋转运动；由油液压力差推动阀芯作轴向移动，实现阀口的高速开启与关闭。用旋转电磁铁驱动时，在28MPa工作压力下，阀芯轴向行程为0.8mm，开启时间约为18ms，6mm通径阀流量高达60L/min。
图1-10 2D电液数字换向阀
由于阀芯质量、液动力和频响之间的相互制约关系，单独的高速开关阀压力低、流量小，在挖掘机、起重机等工程机械上应用还有一定的局限性。为解决在大流量场合的应用问题，国外研究机构提出了使用多个高速开关阀并联控制流量的数字阀岛结构。以坦佩雷理工大学为代表，丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）与巴西圣卡塔琳娜州联邦大学（Federal University of Santa Catarina）都在这方面有深入的研究。
坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology）研究的SMISMO系统，采用4×5个螺纹插装式开关阀控制一个执行器，使油路从P→A、P→B、A→T、B→T处于完全可控状态，每个油路包含5个高速开关阀，每个高速开关阀后有大小不同的节流孔，如图1-11所示。通过控制高速开关阀启闭的逻辑组合，实现对流量的控制。通过仿真和实验研究，采用SMISMO的液压系统更加节能。
图1-11 SMISMO系统原理图
由此发展的DVS（digital hydraulic valve system）将数个高速开关阀集成标准接口的阀岛，如图1-12所示。其采用层合板技术，把数百层2mm厚的钢板电镀后热处理融合，解决了高速开关阀与标准液压阀接口匹配的问题。目前，已经成功地在一个阀岛上最高集成64个高速开关阀。关于数字并联阀岛，近期研究关注数字阀系统的容错及系统中单阀的故障对系统性能的影响。
图1-12 数字阀层板与集成阀岛
高速开关阀的快速性和灵活性使得其迅速应用在工业领域。目前在汽车燃油发动机喷射、ABS刹车系统、车身悬架控制以及电网的切断中，高速开关阀都有着广泛的应用。维也纳技术大学（Vienna University of Technology）将高速开关阀应用于汽车的阻尼器中，分析了采用并联和串联方案的区别，并且通过实验与传统阻尼器的性能进行对比，比较结果说明了数字阀应用的优点。
英国巴斯大学（University of Bath）利用流体的可压缩性以及管路的感抗效应建立了SID（switched inertance device）以及SIHS系统，其最主要的元件为二位三通高速开关阀和一细长管路，如图1-13所示。SIHS系统有两种模式：流量提升和压力提升，压力的升高对应流量的减小，反之流量的增加对应压力的降低。在流量提升时，首先是高压端与工作油口连通使得在细长管路内的流体速度升高。高速开关阀此时快速切换使得低压端与工作油口联通，因为细长管在液压回路中呈感性，会将流量从低压端拉入细长管，实现提高流量降低压力的效果。对于压力提升，供油端通过细长管与高速开关阀相连。初始细长管与工作油口相连，高速开关阀换向使得细长管的出口连接回油端。因回油压力远小于供油压力，此时细长管中的流体开始加速。此后再将高速开关阀切换到初始位置，因流体的可压缩性使得工作油口的压力升高。通过仿真和实验证实了使用高速开关阀快速切换性带来压力和流量提升的正确性。功率分析结果与实验表明，如果进一步提高参数优化和控制方式，此方案能够提升液压传动效率。
图1-13 SID：流量提升与压力提升原理图
将高速开关阀作为先导级控制主阀的运动，获得高压大流量是目前工业界研究和推广的重点。Sauer-Danfoss公司开发了PVU系列比例多路阀，其先导阀采用电液控制模块（PVE），将电子元件、传感器和驱动器集成为一个独立单元，然后直接和比例阀阀体相连。电液控制模块（PVE）包含4个高速开关阀组成的液压桥路控制主阀芯两控制腔的压力。通过检测主阀芯的位移产生反馈信号，与输入信号做比较，调节4个高速开关阀信号的占空比。主阀芯到达所需位置，调制停比，阀芯位置被锁定。电液控制模块（PVE）控制先导压力为13.5×10 5 Pa，额定开启时间为150ms，关闭时间为90ms，流量为5L/min。
Parker公司所生产的VPL系列多路阀同样采用这种先导高速开关阀方案，区别是使用两个二位三通高速开关阀作为先导，如图1-14所示。其先导控制采用PWM信号，额定电压/电流为12V/430mA或24V/370mA，控制频率为33Hz。
图1-14 Parker公司VPL系列多路阀
阀控液压系统依靠控制阀的开口来控制执行液压元件的速度。液压阀从早期的手动阀到电磁换向阀，再到比例阀和伺服阀。电液比例控制技术的发展与普及，使工程系统的控制技术进入了现代控制工程的行列，构成电液比例技术的液压元件，也在此基础上有了进一步发展。传统液压阀容易受到负载或者油源压力波动的影响。针对此问题，负载敏感技术利用压力补偿器保持阀口压差近似不变，系统压力总是和最高负载压力相适应，最大限度地降低能耗。多路阀的负载敏感系统在执行机构需求流量超过泵的最大流量时不能实现多缸同时操作，抗流量饱和技术通过各联压力补偿器的压差同时变化实现各联负载工作速度保持原设定比例不变。
数字阀与传感器、微处理器的紧密结合大大增加了系统的自由度，使阀控系统能够更灵活地组合多种控制方式。
数字阀的控制、反馈信号均为电信号，因此无需额外梭阀组或者压力补偿器等液压元件，系统的压力流量参数实时反馈至控制器，应用电液流量匹配控制技术，根据阀的信号控制泵的排量。电液流量匹配控制系统由流量需求命令元件、流量消耗元件执行机构、流量分配元件数字阀、流量产生元件电控变量泵和流量计算元件控制器等组成。电液流量匹配控制技术采用泵阀同步并行控制的方式，可以基本消除传统负载敏感系统控制中泵滞后阀的现象。电液流量匹配控制系统致力于结合传统机液负载敏感系统、电液负载敏感系统和正流量控制系统各自的优点，充分发挥电液控制系统的柔性和灵活性，提高系统的阻尼特性、节能性和响应操控性。
针对传统液压阀阀芯进出口联动调节、出油口靠平衡阀或单向节流阀形成背压而带来的灵活性差、能耗高的缺点，目前国内外研究的高速开关式数字阀基本使用负载口独立控制技术，从而实现进出油口的压力、流量分别调节。瑞典林雪平（Linkoping）大学的Jan Ove Palmberg教授根据Backe教授的插装阀控制理论首先提出负载口独立控制（separate controls of meter-in and meter-out orifices）概念。在液压执行机构的每一侧用一个三位三通电液比例滑阀控制执行器的速度或者压力。通过对两腔压力的解耦，实现了目标速度的控制。此外，在负载口独立方向阀控制器设计上，采用LQU最优控制方法。在其应用于起重机液压系统的试验中获得了良好的压力和速度控制性能。丹麦的奥尔堡（Aalborg）大学研究了独立控制策略以及阀的结构参数对负载口独立控制性能的影响。美国普渡（Purdue）大学用5个锥阀组合，研究了鲁棒自适应控制策略实现轨迹跟踪控制和节能控制。其中4个锥阀实现负载口独立控制功能，1个中间锥阀实现流量再生功能。德国德累斯顿工业大学（Technical University Dresden）在执行器的负载口两边分别使用一个比例方向阀和一个开关阀的结构，并研究了阀组的并联串联以及控制参数对执行器性能的影响。德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）研究了负载口独立控制的各种方式，并提出了一种单边出口控制策略。美国明尼苏达（Minnesota）大学设计了双阀芯结构的负载口独立控制阀，并对其建立了非线性的数学模型和仿真。国内学者从20世纪90年代开始对负载口独立控制技术进行深入研究，浙江大学、中南大学、太原理工大学、太原科技大学、北京理工大学等均在此技术研究与工程应用方面取得相关进展。
负载口独立控制系统如图1-15所示，其优点主要体现在：负载口独立系统进出口阀芯可以分别控制，因此可以通过增大出口阀阀口开度，降低背腔压力，以减小节流损失；由于控制的自由度增加，可根据负载工况实时修改控制策略，所有工作点均可达到最佳控制性能与节能效果；使用负载口独立控制液压阀可以方便替代多种阀的功能，使得液压系统中阀种类减少。
图1-15 负载口独立控制系统原理图
电液比例控制技术、电液负载敏感技术、电液流量匹配控制技术与负载口独立控制技术的研究和应用进一步提高了液压阀的控制精度和节能性。数字液压阀的发展必然会与这些阀控技术相结合以提高控制的精确性和灵活性。
以高速开关阀为代表的数字流量控制技术采用数字信号控制阀或者阀组，使阀控系统输出与控制信号相应地离散流量。高速开关阀只有全开和全关两种状态，节流损失大大减小；增加了控制的灵活性和功能性；阀口开度固定，对油液污染的敏感度降低。然而，正因为这些特性，这种数字阀要大规模应用于工业，还有许多问题需要解决：首先，高速开关阀在开启和关闭的瞬间，对系统造成的压力尖峰和流量脉动，导致执行器的运动不连续；其次，高速开关阀的响应必须进一步提高，长时间稳定的切换寿命也是必需的；第三，在数字阀岛的应用中，所选择的高速开关阀的启闭需要同步。在数字流量控制技术发展成熟之前，国外一些厂家综合了数字信号控制的灵活性以及比例阀在高压大流量工业场合的成熟应用，开发出可编程阀控单元（programmable valve control unit），其阀内自带压力流量检测装置，采用电液流量匹配控制技术与负载口独立控制技术，阀的功能依靠计算机编程实现。
Husco公司研发了采用螺纹插装阀结构的EHPV液压阀，采用双向两位控制阀，且带压力补偿机构，如图1-16所示。通过4个阀组形成的液压桥式回路控制执行器端口的运动状态。该阀使用CANJ 1939总线进行信号的传递和控制，可以根据操作者的指令，通过执行器端口的压力来调节阀的开度。使用该阀可以省去平衡阀组，使得系统的控制功能增加。在复杂运动控制中，采用协调控制算法，提高了操作者的操作效率。EHPV的PWM控制信号频率为100Hz，额定压力为35MPa，有75L/min、150L/min和800L/min三种规格。佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的Amir Shenouda对其应用在小型挖掘机上的性能进行了实验。其实验特点在于，将装有插装阀阀组的集成阀块安装在近执行器端，避免了液压管路对控制系统的影响和液压容腔对控制性能的延迟作用。对于EHPV可编程阀在流量模式切换上和节能性方面的优点给予了理论和实验证明。另外，此系列阀还应用于JLG公司的登高车上，并进行了系列化生产，动臂下降速度增加12%，泄漏点减少27%，流量增加25%，系统稳定性增加。
图1-16 Husco公司的EHPV阀
虽然可编程阀控单元（programmable valve control unit）并不能算严格意义上的数字阀，但其采用数字信号直接控制，能够实现高压大流量的应用。内置传感器且与数字控制器相配合使用。通过程序，可以自主决定阀的功能，多种多样的功能阀和先导阀可以用同一种阀控单元的形式替代。在数字液压元件真正产业化之前，这是现有工业应用升级换代和研究的重要方向。对于可编程阀控单元，目前的研究重点在于：①嵌入式传感器技术与数字信号处理技术；②控制策略开发与传统功能阀等效技术；③负载功率匹配和多执行器流量分配控制技术。
液压阀的发展经历了图1-17所示发展历程，从最开始手动控制只有油路切换功能的液压阀到采用数字信号能够进行压力流量闭环控制的可编程阀再到流量离散化的数字阀，这些元件的产生是液压、机械、电子、材料、控制等学科交叉发展的结果。而液压阀的智能化与数字化又增进了工业设备及工程机械的自动化、控制智能化、能量利用效率。
图1-17 液压阀的发展历程
数字阀的发展和应用使液压领域的技术人员和研究人员从复杂的机械结构和液压流道中解放出来，专注于液压功能和控制性能的实现。与传感器及控制器相结合，可以通过程序与数字阀的组合简化现有复杂的液压系统回路。模块化的数字阀需要其参数、规格与接口统一，这导致液压系统设计的标准化，如电路设计标准化一样。
数字阀的重要应用就是利用其高频特性达到快速启闭的开关效果或者生成相对连续的压力和流量。目前，采用新形式、新材料的电-机械执行器，降低阀芯质量和合理的信号控制方式，使得数字阀的频响提高，应用范围越来越广。然而，对于高压力、大流量系统，普遍存在电-机械转换器推力不足、阀芯启闭时间存在滞环等问题。因此，在确保数字阀稳定性的情况下如何提高响应，尤其是在高压大流量的液压系统中的使用一直是数字阀的研究重点。
随着人类社会责任感的提高，工业界能量利用效率、对环境的影响都是亟待关注的问题。不能做到节能减排的工业必将会被替代和淘汰。相对而言，液压传动的效率并不高，但这也恰恰说明其具有较大的提升空间。与新型控制方式及电子技术相结合，数字阀可以监控其工作端的压力流量参数，减少背压，根据工况反馈调节泵参数甚至发动机的参数，以达到节能的目的。
负载口独立控制技术解决了传统阀控缸系统操纵性和节能性难以同时达到最优的问题，但负载口独立控制系统在恶劣工况下，控制器的抗干扰能力可能成为制约负载口独立控制技术广泛应用的一个关键问题。一种新型流量控制阀，该阀先导级为PWM控制的数字阀，主级为基于流量放大原理的Valvistor阀。Valvistor阀通过阀芯上的反馈节流槽连通进油口与主阀上腔，稳态时节流槽流量与先导流量相同，构成内部位移反馈，先导阀流量反馈至主阀出口。该新型数字流量阀采用了两级流量放大的原理解决了数字阀通流能力小的问题，该阀具有二位二通的特点，适合在负载口独立控制系统中应用，数字控制具有负载口独立控制抗干扰能力，能实现独立负载口智能化控制。
① 系统组成 基于数字流量阀的负载口独立控制系统如图1-18所示，因该数字流量阀主阀采用Valvistor阀，该主阀仅能实现一个方向的流量控制，另一个方向流通时流量阀仅相当于节流阀难以实现控制，所以为避免流量反向通过数字流量阀，在数字流量阀前边加了单向阀。在负载口独立控制系统中，为实现系统所有机能，采用6个数字流量阀控制的负载口独立控制系统。该系统由6个数字流量阀、4个单向阀、液压源、控制器等组成。3个压力传感器检测液压缸两腔及液压泵出口压力，速度传感器检测活塞杆速度。根据输入控制器速度信号，控制器输出信号控制6个数字流量阀的占空比、液压泵出口压力，实现对液压缸速度的控制。
图1-18 负载口独立控制系统原理图
1～6—数字流量阀；7—液压源；8—控制器
② 数字流量阀组成 数字流量阀如图1-19所示，该阀由主阀、数字先导阀组成。主阀采用基于流量-位移反馈的Valvistor阀，先导阀为二位二通数字阀。当先导阀不通时，控制腔压力 p C 等于入口处压力 p A ，由于弹簧力及上下腔面积差作用，主阀关闭。当先导阀有流量通过时，控制腔压力降低，主阀芯向上移动，直至流过反馈节流槽的流量与先导阀的流量相同时，达到稳态，主阀芯移动 x M 。该阀出口流量 Q 0 等于流过主阀流量 Q M 与先导阀流量 Q p 之和。
图1-19 数字流量阀组成
1—主阀阀套；2—反馈槽；3—主阀阀芯；4—先导阀
假设阀芯运动过程中入口压力 p A 、出口压力 p B 不变，控制腔压力为 p C ，建立通过数字流量阀、先导阀及主阀静态流量平衡方程。
通过先导阀平均流量为：
（1-1）
式中， Q p 为开关阀压差为 p C - p B 时的流量； K p 为先导阀液导； D 为PWM控制信号占空比， D ∈[0，1]； p C 为控制腔压力； p B 为主阀出口压力。
流过主阀芯反馈槽可变节流口流量为：
（1-2）
式中，
K
s
为通过反馈槽液导，
K
s
=
c
dS
w
S
（
x
0
+
x
M
）
，
c
dS
为反馈槽流量系数，
w
S
为反馈槽面积梯度，
x
M
为主阀芯位移，
x
0
为主阀芯预开口量。
流过主阀流量方程：
（1-3）
式中，
K
M
为通过主阀芯液导，
K
M
=
c
dM
w
M
x
M
，
c
dM
为主阀芯流量系数，
w
M
为主阀芯面积梯度。
稳态时，主阀对先导阀流量放大倍数 g ：
（1-4）
总阀出口流量为：
（1-5）
液压缸无杆腔、有杆腔、泵出口压力腔的容腔流量连续性方程分别为：
（1-6）
（1-7）
（1-8）
式中，
V
1
、
V
2
、
V
3
分别为液压缸无杆腔、有杆腔和系统泵出口压力腔的容腔体积；
β
e
为液压弹性模量；
p
1
、
p
2
为液压缸无杆腔和有杆腔压力；
A
1
、
A
2
为液压缸无杆腔和有杆腔作用面积；
为活塞杆速度。
活塞杆力平衡方程为：
（1-9）
式中， m 为活塞及负载质量； F 1 为外负载； b 为阻尼系数； k h 为弹性负载刚度。
负载口独立控制系统针对液压缸不同工作模式[图1-20（a）为阻抗伸出，图1-20（b）为超越缩回，图1-20（c）为超越伸出，图1-20（d）为阻抗缩回]选择不同控制策略，其中 F 1 为外负载， v 为液压缸运行速度。对液压缸的不同工作模式分别选用两个阀对液压缸的速度和流量进行控制（表1-2）。
以图1-20（a）中 F 1 、 v 为负载力、速度正方向，对液压缸不同工作模式分别选择两个流量阀对液压缸两腔流量、压力进行控制。不同工作模式时选择控制阀如表1-2所示。
图1-20 液压缸工作模式
表1-2 负载口独立控制系统工作模式表
负载口独立控制系统中，供油压力响应可测但无法准确控制，且负载力可测不可控，且数字流量阀的压差对通过数字流量阀的流量影响显著，因此在控制策略上采用了前馈控制系统来避免系统扰动对控制性能影响。又因为在液压系统中通过数字流量阀的液导、油液体积弹性模量等受油液温度、油液含气量等因素影响，所以采取前馈控制的开环控制策略难以获得对系统准确控制性能，因此采用了前馈反馈复合控制的控制策略。
系统控制原理如图1-21所示。操作手柄发出的唯一操作信号 v 为系统的输入信号，控制器首先根据液压缸的工况选择控制阀（表1-2），然后根据图1-21（a）所示流量控制策略和图1-21（b）所示压力控制策略实现对液压缸流量和压力的复合控制。通过对系统流量、压力进行复合控制提高系统操纵性，使液压缸速度仅与 v （输入信号）有关，而与负载变化无关，同时在液压缸变速时响应快，稳态时速度平稳。
图1-21 控制框图
为了获得较精确的数字阀（先导级）液导，利用试验装置对其进行测试，两个压力传感器分别测量入口压力 p c 、出口压力 p s ，流量传感器测量通过先导阀流量 Q p ，计算机和驱动控制器实现对数字阀输入信号的控制。试验测得的先导阀液导 K p 与占空比 D 关系如图1-22所示。
图1-22 先导阀液导（1spr=1MPa）
为了获得较精确的Valvistor阀（主级）液导，利用试验装置对其进行测试，压力传感器分别测量入口 p A 、出口压力 p B ，流量传感器测量主阀流量 Q M ，位移传感器测定主阀芯位移 x M ，通过dSPACE完成控制信号的施加和数据采集。试验测得的主阀液导 K p 与主阀芯位移 x M 的关系如图1-23所示。
图1-23 主阀芯液导
基于数字流量阀负载口独立控制系统，既能实现对液压缸速度的平稳控制，又能够在负载和速度信号阶跃变化时，实现活塞杆速度的快速响应。
系统仿真表明，对数字流量阀输入信号的载波频率在40Hz以上时，系统速度粗糙度明显减低。
在采用比例控制的液压系统中，力值的精确控制是衡量系统性能最重要的技术指标。控制的基本原理是通过调节比例阀线圈电流控制阀芯开口，以实现流量及压力的控制。而对比例阀线圈电流的控制，目前有模拟控制和数字控制两种方式。模拟控制以V/I转换电路、运算放大电路、功率放大电路、可调电位器为主组成控制放大器，控制比例阀比例电磁铁线圈电流和衔铁推力的大小，从而改变其阀口大小。模拟器件自身固有的缺点，如元件温漂大、分散性大、对外围阻容元件参数依赖性大等，使得模拟控制的功能较为单一、控制参数难以灵活调整和量化处理。此外，模拟控制器与计算机之间无法实时通信，不能实现力值的闭环控制，严重影响了设备的自动化与智能化的水平。一种比例阀数字控制技术，采用微型处理器与比例阀控制芯片实现比例电磁铁线圈电流的数字控制与精密控制，具有响应快、控制灵活、集成度高、稳定性好、易于扩展应用等特点。
① 比例阀特性 比例阀是液压控制系统中关键控制部件之一，其电-机械转换装置采用比例电磁铁，它把来自比例控制放大器的电流信号转换成力或位移。其工作原理是将两端的等效电压转换成正比的电流信号，进而产生与电流成正比例的阀芯位移。比例阀的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和组件具有十分重要的影响，比例电磁铁产生的推力大，结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉。采用德国Have公司的PWVP型比例阀进行研究与实验，压力控制范围为0～700bar（1bar=10 5 Pa），与电气控制相关的主要技术参数如表1-3所示。
表1-3 比例阀电气参数表
比例阀线圈磁铁的磁滞特性和运动的摩擦会导致比例阀的稳态特性存在滞环现象，影响阀的动态响应性能。减小滞环的有效方法是在比例阀电流信号中叠加一定频率的颤振信号，给电磁铁一个间断的脉冲电流，使阀芯一直处于非常小的运动状态，可防止阀芯卡死。颤振频率一般取值为60～150Hz，颤振幅值不宜太大，过大易引起输出电流及负载特性的变化，一般取值为冷态电流的30%。当额定电压为24V时，PWVP型比例阀实际的控制电流为0.1～0.63A，其0～0.1A为比例阀最低压力工作区，即比例阀控制电流值在0.1～0.63A时，压力值与电流值呈近似线性关系。
② 控制芯片 根据比例阀的特性，关键的控制参数为线圈额定电流、颤振频率及颤振信号，即比例阀控制器的正常运行需要连续可调而稳定的电流信号及固定的颤振频率和颤振信号。根据需求，英飞凌公司相继推出了TLE7241、TLE7242等专用控制芯片。作为汽车电子级IC芯片，具有很好的抗干扰性和较大的电压裕度。内部集成了恒流控制单元、PWM调制控制、颤振信号发生单元、SPI总线控制单元、PI调节和外部电流采样等功能，可实现外部比例电磁铁的驱动控制。在减少了外围模拟器件的同时，提高了整个系统的数字化水平。
由表1-4可知，TLE7241E及TLE82453SA的最大控制电流及采样电阻固定，其内部集成了MOSFET驱动电路，用户可直接连接外部电磁铁进行操作，但采样电阻值直接决定了电流控制精度，如TLE7241E对于0.24Ω的采样电阻，其控制精度为1.5mA/bit，所以对于控制精度、最大控制电流值及操作电压范围满足应用要求的情况下，可选用前述两种芯片。由于采用24V比例阀，控制精度要求满足小于0.5mA/bit，所以采用TLE7242-2G作为控制芯片，通过外接MOSFET及采样电阻的方式，实现对电磁铁的高精度控制。
表1-4 几种常用控制芯片参数
比例阀驱动及控制系统结构如图1-24所示，以ARM处理器构建的控制系统中LPC1112通过SPI接口实现与TLE7242通信控制，TLE7242通过功率模块驱动比例电磁铁工作。
图1-24 比例阀驱动及控制系统结构图
LPC1112是基于ARM Cortex-MO的32位微型处理器，提供高性能、低功率、简单指令集和内存寻址，与现有8位/16位架构相比，代码尺寸更小。LPC1112的CPU工作频率最高可达50MHz，内部包括16KB的闪存、4KB的数据存储器、I 2 C总线接口、RS-485/232接口、SSP/SPI接口、通用计数/定时器、10位ADC以及最多22个通用I/O引脚。TLE7242有4个完整的独立的比例电磁铁驱动通道，芯片内部集成了数据寄存器组模块、PWM模块、颤振信号发生器模块、A/D模块、PI调节模块、SPI总线模块，实现可编程的控制电流输出和颤振信号叠加输出。
所以通过本LPC1112+TLE7242便可构建一个完整的比例阀伺服控制系统，实现比例阀控制的数字化、小型化与智能化。其控制系统及驱动电路如图1-25所示。
图1-25 控制系统驱动电路图
当采样电阻值为0.5Ω时，输出电流为0～640mA，且输出电流与二进制值呈比例关系，其比例系数为0.3125mA/bit，即最小控制电流为0.3125mA，满足系统高精度的要求。当需要更大的电流输出范围时，可调整采样电阻 R sensor （图1-25中R1）阻值，其关系满足式（1-10）。
最大电流值=320/ R sensor （1-10）
图1-25中，控制器可通过RS232接口与PC机及其他控制设备实时通信。在控制器内部，微处理器通过SPI接口与TLE7242G进行通信，实现控制命令、寄存器状态等数字信息的接收与发送。SPI总线系统接口使用3线制：串行时钟线（SCK）、主入/从出数据线（MISO）和主出/从入数据线（MOSI），故可以大大地简化硬件电路设计及获取串行外围设备接口。
TLE7242是从机型器件，主控制器需要通过32位的SPI接口发送指定数据的帧结构来实现控制功能。由于LPC1112中内置16位高速SPI接口，不满足TLE7242的32位SPI接口要求，所以采用CPU普通I/O口模拟32位SPI接口协议的方式实现SPI通信，由于TLE7242在收到命令字时，总是要发送1帧诊断信息，所以CPU访问TLE7242内部寄存器时，应连续发送2帧相同的SPI命令字。
比例电磁铁的驱动程序使用C语言进行底层软件开发，其整体流程如图1-26所示。
图1-26 驱动程序流程图
控制系统上电后，首先对LPC1112和TLE7242两个芯片进行初始化，其中LPC1112包括芯片内部寄存器、时钟、中断、串行通信接口、模拟SPI接口和普通I/O口等的初始化工作；TLE7242主要是对内部寄存器进行初始化，除电流设置寄存器外，其他寄存器仅需上电时初始化一次，在运行过程中不需要进行操作。由于Have公司的PWVP型比例阀工作在线性区前需要一定的初始电流，所以在初始化完成后，应使TLE7242输出100mA的电流值，使比例阀处于线性工作状态，对SPI Message 3 # 寄存器（即电流设置与颤振幅值设置寄存器）写入相应数字量，即可改变输出电流值，实现对比例阀电流的精确控制及整个液压系统压力的精确控制。
采用数字化设计，控制器可实时获取液压阀运行状态，并可与其他控制设备和远程控制设备进行信息交互。随着移动通信网络不断发展，物联网与机械设备的结合将更加紧密，这要求现场机械设备具有高的数字化和智能化程度，以满足智能化识别、定位、跟踪、监控和管理以及远程设备故障诊断等要求，实现异地、远程、动态、全天候的“物物相连、人人相连、物人相连”。
近年来随着电子技术、控制理论的研究和发展，电液伺服数字控制技术已得到迅速发展和应用。
高性能的PLC、DSP、PC104等嵌入式控制器的应用，为电液伺服系统实现先进控制算法奠定了基础。另外，采用数字通信技术，使上位机能够通过CAN总线、PROFIBUS总线、以太网等向电液伺服系统的控制器发送指令、实时传送参数，并在线监控系统运行状态。
在控制算法方面，针对电液伺服系统的非线性、参数时变、存在滞回、负载复杂等问题，一些先进控制算法得到了应用。除常用的PID算法外，其他比较典型的控制算法主要包括以下几种：
① 鲁棒自适应控制 在传统自适应控制系统中，扰动能使系统参数严重漂移，导致系统不稳定，特别是在未建模的高频动态特性条件下，如果指令信号过大，或含有高频成分，或自适应增益过大，或存在测量噪声，都可能使自适应控制系统丧失稳定性。自适应鲁棒控制（adaptive robust control）结合了自适应控制与鲁棒控制的优点，以确定性鲁棒控制为基础增加了参数自适应前馈环节，在处理不确定非线性系统方面取得了良好的效果。电液伺服系统中，普遍存在系统参数获取困难、负载模型不易建立、系统强耦合且非线性严重（如滞回、摩擦、死区等）等问题，通常采用鲁棒自适应控制方法实现在线估计参数，对非线性环节进行补偿，保证了存在建模不确定性和外界干扰系统的鲁棒性。鲁棒自适应控制器的原理如图1-27所示。
图1-27 鲁棒自适应控制器
② 有参数自整定功能的PID控制 PID控制因其结构简单、含义明确、容易理解等特点在工程中得到广泛使用。但是电液伺服系统属于非线性系统，大量的实际应用表明，当系统状态发生变化时，固定参数的PID控制器性能变差。因此，具有参数自整定功能的PID控制得到了研究和应用。PID控制器的参数整定方法包括常规的ZN法、继电反馈法、临界比例度法等。在传统方法中，有的需要依靠系统精确数学模型进行参数整定，有的需要开环实验确定控制器参数，这些方法都容易造成系统振荡。因此，基于闭环系统实验数据的PID控制器参数整定算法得到了重视。比较典型的方法包括：迭代反馈整定算法和极限搜索算法。这两种算法均是利用闭环系统的输入输出数据进行控制参数的整定，其不同之处在于迭代反馈整定法每次迭代过程需要进行三次实验，而极限搜索方法只需要进行一次实验。
③ 自抗扰控制 自抗扰控制是中科院韩京清研究员提出的一种控制算法，该算法的优点是不考虑被控系统的数学模型，将系统内部扰动和外部扰动一起作为总扰动，通过构造扩张状态观测器，根据被控系统的输入输出信号，把扰动信息提炼观测出来，并以该信息为依据，在扰动影响系统之前用控制信号将其抵消掉，从而获得最优的控制效果。从频域角度看，这样的控制手段要优于一般“基于误差”设计的PID控制器，自抗扰控制器原理如图1-28所示。
图1-28 自抗扰控制器结构
随着工业过程对电液伺服系统的可靠性要求越来越高，故障检测和诊断已成为控制器中一个必不可少的功能。
通过故障检测可向用户发出故障报警，如传感器故障、伺服阀故障等。目前，比较成熟的故障检测技术主要以数据为主，如专家系统故障检测、神经网络故障检测等。上述方法都需要大量的数据样本或专家知识作为前提。现有的故障检测技术还只能局限于一些简单故障，对于复杂故障的诊断还有待于新故障诊断技术的发展。
振动试验作为现代工业的一项基础试验和产品研发的重要手段，广泛应用于许多重要的工程领域，振动试验的主要设备为振动台，其性能直接影响到振动试验结果的准确性。
电液振动台因激振力大、振幅大、低频性能好以及台面无磁场等优点而得到较为广泛的应用。现代工业，尤其航空航天等高科技领域的不断发展，对振动台的工作频率范围及输出推力的要求也越来越高，提高工作频率范围及增大输出推力成为当务之急。电液伺服阀频响难以大范围突破，因而电液伺服振动台的工作频率范围难以进一步提高。目前推力50kN以上电液式振动台工作频率已经达到1000Hz。
一种国内开发的新型高频激振器，它的核心是一高频激振阀（即2D高频数字换向阀）。
2D阀具有双自由度，即阀芯具有径向的旋转运动和轴向的直线运动，其工作原理如图1-29所示。阀芯上有4个台肩，每个台肩上沿周向均匀开设有沟槽，相邻沟槽的圆心角为 θ ，第1、3个台肩沟槽的位置相同，第2、4个台肩沟槽的位置相同，相邻台肩上的沟槽相互错位，错位角度为 θ /2。阀芯由伺服电机驱动旋转，使得阀芯沟槽与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于相邻台肩上的沟槽相互错位，因而使得进出口的两个通道的流量大小及方向以相位差为180°发生周期性的变化，以达到换向的目的。当阀芯在转动过程中位于图1-29（a）所示的位置时，P S 口和P 1 口沟通，P 2 口和P 0 口沟通；当阀芯旋转过一定角度（如 θ /2）处于图1-29（b）所示位置时，P S 口和P 2 口沟通，P 1 口和P 0 口沟通。即阀芯在伺服电机驱动下旋转，P S 口周期性地和P 2 口、P 1 口沟通。2D阀台肩上的沟槽与阀套上窗口构成的面积除因阀芯旋转发生周期性变化外，还可通过阀芯的轴向运动使阀口从零（阀口完全关闭）到最大实现连续控制，因而，可由另一伺服电机通过偏心机构驱动阀芯作轴向运动，从而改变周期性变化阀口面积的大小，进而控制2D阀的流量输出。
图1-29 2D阀原理图
2D换向阀的截面结构如图1-30所示，阀芯沟槽数与阀套窗口数相等，这种结构形式称为全开口型配合。2D换向阀的工作频率 f （Hz）为：
（1-11）
式中， n 为阀芯的旋转转速，r/min； Z 为阀芯沟槽每转与阀套窗口之间的沟通次数（即阀芯沟槽数）。
图1-30 2D阀沟槽结构图
采用传统滑阀结构的换向阀，易产生一些故障，其中阀芯卡紧是液压换向阀最常见的；换向的频率也因受到阀芯运动惯性的影响，一直无法得到有效的提高。而从式（1-11）可知，2D数字换向阀的换向频率仅与阀芯的转速和阀芯沟槽数有关，同时提高两项参数或单独提高其中的任何一个都能提高换向频率。由于阀芯为细长结构转动惯量很小，又处于液压油的很好润滑状态中，因而容易提高阀芯的旋转速度，同时提高阀芯沟槽数也较容易，这样有利于得到很高的频率。旋转式换向也从根本上避免了阀芯卡紧现象。
阀芯以角速度 ω 旋转时，阀套窗口与阀芯沟槽的油液流通宽度变化情况如图1-31所示，阀套窗口与阀芯沟槽轴向的形状均为矩形，则：
（1-12）
式中， A v 为阀芯沟槽的油液导通面积，m 2 ； x v 为阀芯轴向移动距离，m； y v 为阀套窗口与阀芯沟槽的导通宽度，m。
图1-31 2D阀油液流通宽度变化
根据阀套与阀芯接触宽度 y v 的变化（0～ y vmax ， y vmax ～0）位置关系，得：
（1-13）
阀芯沟槽的油液导通的最大面积为：
（1-14）
式中， θ 0 为阀芯沟槽宽所对应的圆心角； R 为阀芯半径，m。
由式（1-14）求得最大流通面积与阀芯沟槽数的关系，当 Z ≥6时， A max 已基本不变化，此时流通宽度与圆周弧长之比已接近1/4，因此 Z 的取值至少为6。
当阀芯旋转的角度 ω t 在[0，4 θ 0 ]变化时，第1个台肩的阀芯与阀套接触宽度变化的分段函数为：
（1-15）
而与之相邻的第2个台肩阀芯与阀套接触宽度 y v2 变化情况则相反，在[0，2 θ 0 ]时为0，在[2 θ 0 ，4 θ 0 ]时导通；第3、4个台肩的变化与第1、2个相同。
容易得到一个周期内油液流通面积的变化情况，见式（1-16），在阀芯回转一周内其他阶段的变化以此类推，所以，油液流通面积在理论上有严格的周期性。如图1-32所示，面积的变化曲线非常接近参考的正弦波形曲线。
图1-32 2D阀油液流通面积变化
（1-16）
为考察油液流通面积与参考正弦波形曲线面积的误差，设：
（1-17）
式中， e 为相对误差； A y 为参考正弦波形所对应的面积值。
Z =8时，一个周期内相对误差的变化如图1-33所示。考虑到流量变化的连续性，实际的流量变化最大误差还应更小。
图1-33 流通面积与正弦波形面积的相对误差
式（1-16）表明在[0，4 θ 0 ]内，流通面积的变化是非线性的，需对其进行线性化处理。采用傅里叶变换，得式（1-16）的傅里叶变换函数为：
（1-18）
显然， k =2、3、…时，高次谐波的幅值仅为 k =1时的1/9、1/25、…直至0，衰减迅速，因此可用基波分量代替阀芯与阀套接触面积变化的分段函数。即取 k =1，得：
（1-19）
式（1-19）表明面积傅里叶变换的基波是一个与 Z 相关的正弦函数，周期为4 θ 0 ，该波形即为阀的输入信号，其周期即为阀的换向周期。当 x v 为常值时，不管阀芯转速大小如何变化，输入信号始终为正弦波形；而当 x v 按一定规律发生变化时（如 x v = B sin ω 1 t ），输入信号的波形将发生变化。反之，如果能对所需要的信号进行幅值、频率和平均值分解，就能对分解的信号实行独立控制，以满足所需信号。
① 2D阀结构简单，换向可靠，抗污染能力强，且易于控制，新型结构有利于得到高的频率，适用于各种类型的液压式高速换向的场合，如高频激振器等；
② 此处单独配置一个伺服电机通过偏心机构驱动阀芯作轴向运动，以改变周期性变化阀口面积的大小，进而控制2D阀的流量输出；
③ 采用直接数字控制，具有重复精度高、无滞环的优点，输入波形在理论上有严格的周期性，且按正弦规律变化。
内循环数字液压缸为一体化的液压系统。这种数字液压缸通过独特的设计，将动力元件、执行元件、控制元件的功能进行有机地集成，解决了液压系统由于液压元件众多、管道长致使压力损失、泄漏损失大，导致液压系统效率较低的问题。
内循环数字液压缸把传统液压系统需要的方向阀、流量阀、单向阀、溢流阀等多种液压元件有机地融合在一个柱塞里，如图1-34所示。液压缸活塞上均匀分布10个柱塞，5个柱塞使液压缸向左运动做功（A组），5个柱塞使液压缸向右运动做功（B组）。A、B两组柱塞交替反向放置，利用柱塞与活塞的面积比实现力的放大，通过柱塞的运动实现1腔、2腔的液体体积等量变换，构成一个等行程等速双作用缸。液压缸以电磁铁为动力元件，将电磁铁放入小柱塞内，当电磁铁通电做功时，液压油通过小柱塞从液压缸的一腔流入另一腔，从而带动液压缸做功。液压缸的工作速度通过控制电磁铁的通电频率来控制。
图1-34 内循环数字液压缸的结构
整个液压系统无需额外的液压泵和液压循环管路，液压油在做功时流程短，使液体因流动时的黏性摩擦所产生的沿程压力损失减少很多；液压系统结构简单，使液压油流经管道的弯头、管接头、突变截面以及阀口等局部装置的次数很少，使液压缸在做功过程中的局部压力损失也很少。在控制上通过DSP控制电磁铁的通断电来控制液压缸的运动。由于在液压缸内有两组方向相反的小柱塞，通过控制柱塞工作组，便能控制液压缸的工作方向，也省去了方向阀。
如图1-35所示，在脉冲电流的控制下电磁铁推动活塞向左运动，3腔体积变小，4腔体积变大。3腔里的液压油通过单向阀被排到2腔，推动液压缸向左运动，在结构设计时保证3腔和4腔的体积同步变化，1腔的液压油便可在电磁铁做功的时候暂时存于4腔中，防止因液压油压缩而出现困油现象。做功完成后，在电磁铁弹簧力的作用下，活塞右移，4腔的油通过1腔、单向阀被吸回3腔，完成吸油过程。
图1-35 柱塞的工作原理
楔形挡板的作用为当A组柱塞工作时保证液压缸1腔与2腔不能通过B组柱塞相通。如果没有此挡板，当A组柱塞把液压油排到2腔后，2腔的压力增大，液压油通过B组的单向阀、3腔、排油管被压回液压缸1腔，液压缸不动作。
此内循环数字液压缸系统以电磁铁为动力元件，电磁铁选用众恒电器的ZHT2551L/S型号。电磁铁推力曲线如图1-36所示。
图1-36 电磁铁推力曲线
由于电磁铁做功是在液压缸到达极限点位置后立即停止供电，所以电磁铁每次通电时间大概为几十毫秒，这个值远远小于厂家提供的单次最长工作时间，电磁铁通电的实际比例可稍微大于提供的比例。为使液压缸有更快的速度，先假定选用通电时间比为30%的曲线。
若使液压缸工作效率高，就应使电磁铁每动作一次对油液做功最大。设图1-35中的活塞面积为 S ，负载在活塞上产生的压强为 p ，电磁铁做功位移为 x 。电磁铁运行时克服柱塞表面油液压力 F = pS ，做功 W = Fx （忽略动态效应），并且要使柱塞运动则有 F ≥ f min ， f min 为电磁铁曲线上的最小力，极限情况 W = f min x 。显然有用功 W 对应横纵坐标与电磁铁推力曲线形成的矩形区域面积。通过计算矩形区域所对应的格子数量，可得到 W 的最大值。 x 与 W 的关系如表1-5所示。
表1-5 x 与 W 的关系
x >10后由于位移太大不予考虑，由表1-5可得当 x =9时， W 值最大。但 x 越大，电磁铁做功一次所用的时间也就越长，综合考虑各种因素暂取 x =6。在图1-36上取点（0，3650）、（1，3300）、（2，2950）、（3，2700）、（4，2500）、（5，2250）、（6，2000）可在Matlab中模拟出曲线的函数关系。由于电磁铁做功时是以 x =6时为起点，设此点为0点。在Matlab中模拟曲线的三次函数，可得电磁铁推力与位移的拟合函数为：
对液压缸采用位置控制，在液压缸外安装一高精度位移传感器，实时检测液压缸位移。根据传感器输出的位置信号为脉冲波形提供转换依据。
利用DSP事件管理器的PWM脉宽调制输出产生五路波形，分别控制5个电磁铁的通断电，每路波形的有效波形及其周期的值就决定了各柱塞之间能否有条不紊的依次工作，其值由时间或位置决定。
