1、液气压系统分析,主讲：熊瑞平 博士/副教授 Tel：13550002782 E-mail: 四川大学制造科学与工程学院 2007年3月,本门课程的主要内容及目的,主要内容 液压基本回路分析 液压系统工作原理分析（机床、工程机械、兵器等） 液压系统设计及维护 目的： 熟练掌握各类液压典型回路； 掌握液压系统的分析、设计方法； 参考书： 流体传动与控制，张光涵等，成都科技大学出版社； 液压系统建模与仿真，李永堂等，冶金工业出版社；,第一章 液压传动与控制系统的讨论,本章提要,历史回顾,前言,发展现状,未来展望,在回顾流体传动及控制学科发展历史的基础上，对20世纪90年代后期以来液压学科的发展作了综
2、合评述，它集众多学科于一体，具有显著的机电液一体化特征，尤其是与计算机技术相结合，使得液压学科在系统设计、控制、故障诊断、虚拟现实等方面有了长足的进步。最后对流体传动及控制技术的发展前景进行了预测，指出关注环保性能，提高效率；元件与系统的集成化、模块化、智能化、网络化；新材料的使用将是未来的发展方向。流体传动与控制技术发展到今天，已经成为一门与其它学科相互关联、交叉的综合性学科。它是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科，具有显著的机电液一体化特征。,流体传动与控制学科是人类在生产实践中逐步发展起来的。,一、历史回顾,1 流
3、体力学,流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是在经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律之后才逐步形成的。,1648年法国人帕斯卡(B.Pascal)提出静止液体中压 力传递的基本定律，奠定了液体静力学基础。,17世纪，力学奠基人牛顿(Newton)研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，针对粘性流体运动时的内摩擦力提出了牛顿粘性定律。,对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊人阿基米德(Archimedes)，他建立了物理浮力定律和液体平衡理论。,1738年瑞土人欧拉(L.Euler)采用了连续介质的概念，把静力学中的压力概念推广到运动流体中，
4、建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘性流体的运动 。伯努利(D.Bernoulli)从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，进行试验分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、流道高度之间的关系伯努利方程。欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。,1827年法国人纳维(C. L. M. Navier)建立了粘性流体的基本运动方程；1845年英国人斯托克斯(G. G. Stokes)又以更合理的方法导出了这组方程，这就是沿用至今的N-S方程，它是流体动力学 的理论基础。1883年英国人雷诺(O.
5、Reynolds)发现液体具有两种不同的流动状态层流和湍流，并建立湍流基本方程雷诺方程。,2 液压传动, 1795年英国人布拉默(J. Bramsh)发明了第一台液压 机，它的问世是流体动力应用于工业的成功典范， 到1826年液压机已被广泛应用，此后还发展了许多水压传动控制回路，并且采用机能符号取代具体的设计和结构，方便了液压技术的进一步发展。,19世纪是流体传动技术走向工业应用的世纪，它奠基于的流体力学成果之上，而工业革命以来的产业需求为液压技术的发展创造了先决条件。,1905年美国人詹尼(Janney)首先将矿物油引入传动介质，并设计研制了带轴向柱塞机械的液压传动装置，并于1906年应用于
6、军舰的炮塔装置上，为现代液压技术的发展揭开了序幕。,1922年瑞士人托马(H. Thoma)发明了径向柱塞泵。,1936年美国人威克斯(H. Vickers)一改传统的直动式机械控制机构，发明了先导控制式压力控制阀。稍后电磁阀和电液换向滑阀的问世，使先导控制形式多样化。,3 控制论,20世纪是流体传动与控制技术飞速发展并日趋成熟的世纪，也是控制理论与工程实践相互结合飞速发展的世纪，它为流体控制工程的进步提供了强有力的理论基础和技术支持。,1922年美国人米诺尔斯基(N. Minorsky)提出用于船舶驾驶伺服机构的比例、积分、微分(PID)控制方法。,1932年瑞典人奈奎斯特(HNyquist
7、)提出根据频率 响应判断系统稳定性的准则。,1948年美国科学家埃文斯(WREvans)提出了根轨迹分析方法，同年申农(CEShannon)和维纳(N. Wiener)出版信息论与控制论。,4 液压传动及伺服系统,1950年摩根(Moog)研制成功采用微小输入信号的电液伺服阀后，美国麻省理工学院的布莱克本(Blackburn)、李(Lee)等人在系统高压化和电液伺服机构方面进行了深入研究 。,1970年前后信号功率介于开关控制和伺服控制之间的比例阀问世。,二战后液压技术在航天、国防、汽车和机床工业中得到广泛应用，并且走向产业独立发展，西方各国相继成立了行业协会和专业学会，液压传动和控制被作为新
8、兴技术得到重视。这一时期称得上是液压工业的黄金岁月。,4 液压传动及伺服系统,l960年布莱克本(Blackburn)的液动气动控制和l967年梅里特(Merritt)的液压控制系统两部科学著作相继问世，对液压控制理论作出了系统、科学的阐述。,从1962年开始制定液压元件的标准(CETOP，ISOTCl31)。,在主阀结构上，早期采用水介质时大多选择锥阀结构；油压控制发展后圆柱滑阀结构成为主流。1970年前后二通插装阀(大中功率)以及螺纹插装阀(中小功率)问世并快速发展，使得滑阀结构受到冲击。,20世纪是流体传动及控制技术逐步走向成熟的时代。随着现代科学技术的飞速发展，它不仅可以充当一种传动方
9、式，而且可以作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段。,二、发展现状,进入20世纪90年代后期，随着自动控制技术，计算机技术，微电子技术、可靠性技术的发展以及新材料的应用，使传统的液压技术有了新的进展，也使液压系统和元件的水平有很大提高。,1 液压传动与微电子技术相结合，实现机电一体化集成是新型元件和系统发展的主要方向。,多功能集成电液元件、具有数字接口的电液元件和检测元件快速发展。,由于内置电子线路以及串行通讯总线技术的发展，在一些大型现代化的电液系统，如冶金、大型矿山机械及工程机械中，泵、马达、阀等元器件装有各种必要的传
10、感器和两路数据连接器，不仅可实现各种功能的控制，还可实现各元件状态的监测，使液压系统故障诊断技术有了进一步的发展。,现代的液压系统是高度机电一体化的大型复杂控制系统。,中央计算机不断访问所有元件的当前特性，并且与标准特性相比较，若显著超出，可发出必要的警报。,2 计算机的广泛应用和性能的不断提高使得流体传动及控制技术有了新的发展,计算机辅助设计大大地提高了工作效率。利用CAD/CAE技术全面支持液压产品从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件设计的全过程。对现有的液压CAD/CAE设计软件进行二次开发，建立知识库信息系统，它将构成设计制造销售使用设计的闭式循环系统。,A 新控制策略不
11、断被采用。,自适应控制(AC)是指当被控对象本身特性及其外部环境了解不多时或者它们在正常运行中存在变化时，对其有自适应能力和鲁棒性,鲁棒控制指的是当系统模型包含不确定性因素时，仍然希望控制系统始终保持良好性能的一种控制方式。近年出现的 设计方法是鲁棒控制的代表。,智能控制(IC)通过对系统特征的描述和提取，符号和环境的识别，知识库和推理机的开发以及控制规律的在线学习和修正，对改善液压伺服系统的控制性能有巨大潜力。,B 虚拟技术在液压行业中得到应用。,虚拟现实(Virtual Reality)通常是指通过头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，操作者通过这些设施以自
12、然的技能向计算机送入各种命令，并得到计算机对用户的视觉、听觉及嗅觉等多种器官的反馈。,包括与计算机系统有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。它最主要的目标就是真实的体验和方便的人机交互。,虚拟实现系统具有“沉浸（Immersion）”，“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”三个基本特征 。,故障诊断技术有了长足的进步并向智能化发展。,软测量(Soft-sensing)特点就是以计算机和软件为核心，根据某种最优准则，选择比较容易测得的一种或几种辅助变量，来估计不能直接测量的主要变量。,网络技术将促进流体传动行业多方面的发展。,通过网络技术，可以使液压气动产品的
13、设计、生产、销售和用户信息反馈及时挂起钩来。用户要求和设计信息可传给设计部门，设计结果通过网络传达到相应的生产部门及其他机构，可以在网上就出现的问题交流看法和提出建议，最终实现整个产品设计与生产过程的无纸化、文件的电子化。,总之流体传动与电子、计算机、通信等技术相结合，大大促进了流体传动元件及系统的发展。流体传动及控制技术已经成为现代机械工程的基本要素和工程控制关键技术之一。,三、未来展望,有统计资料表明：近20年来液压技术的发展来源于自身的科研成果仅约20%，来源于其他领域发明的占50%，移植其它技术研究成果占30%，没有任何一种学科能关起门来发展，这也是所有学科的共同趋势。未来液压技术难有
14、惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其主要的发展趋势将集中在以下几个方面。,1 流体传动与控制设备更加注重其环保性能,污染环境是流体传动工业面临的最大挑战之一，也是妨碍它与电气和机械传动系统有效竞争的一大因素。,治理泄漏和降低噪声是液压系统需要解决的两大 问题。,加大非石油基液压油的使用力度。,水压技术将会得到大力发展。,2节能降耗，提高效率。,广泛采用在负载敏感系统，使之具有流量适应控制和压力自动补偿功能。,发展变频电机驱动系统及二次调节技术。,轻量化 、小型化、节能元器件。,3 更为集成化、模块化、 智能化和网络化。,由电子直接控制的元件将得
15、到广泛采用,借助现场总线，实现高水平的信息传递，可以对流体传动及控制大系统实现综合多目标最优控制效率最优、功能最优或预选目标最优。,流体传动及控制系统可实现加工、装配和调试等过程的全球化虚拟制造，并对研究过程、生产过程、营销过程实现全球网络实时管理与经营。,4 新材料的发展及使用,陶瓷材料由于其优越的耐磨性、抗气蚀性能、化学稳定性好、摩擦因数低，使其在纯水液压泵和阀上得到应用。,纳米材料、纳米工艺的进展，将为流体传动与控制技术发展开拓新的前景。,5 微流体技术的出现和发展 微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。微流体系统所需的器件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术 。,结论,综上所述，流体传动及控制技术必须在充分发挥自身优势和借鉴其它领域的发展成果，并不断进行改进和创新，才能在未来的竞争中获得发展。展望新的世纪，液压技术将会面对新的机遇与挑战，我们对流体传动及控制技术的发展前景充满信心。,
