氣動(dòng)技術(shù)

1、氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用情況及研究和發(fā)展的重要性

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的技術(shù)手段，在目前主要有兩個(gè)：電氣（電子）控制和流體動(dòng)力控制。流體動(dòng)力控制有三類：

    （1） 液壓控制，工作流體主要是礦物油。

    （2） 氣壓控制，工作介質(zhì)主要是壓縮空氣，還有燃?xì)夂驼魵狻?/p>

    （3） 射流技術(shù)，工作介質(zhì)有氣體也有液體，該技術(shù)在一些多管道的生產(chǎn)流程中得到應(yīng)用。

     氣壓伺服控制是以氣體為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞、轉(zhuǎn)換、分配及控制的一門(mén)技術(shù)。氣動(dòng)系統(tǒng)因其節(jié)能、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、高速、、工作可靠、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)溫度范圍廣、工作介質(zhì)具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列的優(yōu)點(diǎn)而得到了迅速的發(fā)展。眾多的報(bào)道表明，氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)和控制的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展水平和速度直接影響機(jī)電產(chǎn)品的數(shù)量和水平，采用氣動(dòng)技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家的重要標(biāo)志。

    據(jù)資料表明，目前氣動(dòng)控制裝置在自動(dòng)化中占有很重要的地位，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，現(xiàn)概括如下：

     （1） 絕大多數(shù)具有管道生產(chǎn)流程的各生產(chǎn)部門(mén)往往采用氣壓控制。如：石油加工、氣體加工、化工、肥料、有色金屬冶煉和食品工業(yè)等。

     （2） 在輕工業(yè)中，電氣控制和氣動(dòng)控制裝置大體相等。在我國(guó)已廣泛用于紡織機(jī)械、造紙和制革等輕工業(yè)中。

     （3） 在交通運(yùn)輸中，列車(chē)的制動(dòng)閘、貨物的包裝與裝卸、倉(cāng)庫(kù)管理和車(chē)輛門(mén)窗的開(kāi)閉等。

     （4） 在航空工業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。因電子裝置在沒(méi)有冷卻裝置下很難在300℃～500℃高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機(jī)上大量采用氣動(dòng)裝置。同時(shí)，火箭和導(dǎo)彈中也廣泛采用氣動(dòng)裝置。

     （5） 魚(yú)雷的自動(dòng)裝置大多是氣動(dòng)的，因?yàn)橐詨嚎s空氣作為動(dòng)力能源，體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還要小、重量還要輕。

     （6） 在生物工程、醫(yī)療、原子能中也有廣泛的應(yīng)用。

     （7） 在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

     從氣動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況可知，研究和發(fā)展氣動(dòng)技術(shù)具有非常重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。氣動(dòng)技術(shù)在美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)等主要工業(yè)國(guó)家的發(fā)展和研究非常迅速，我國(guó)于七十年代初期才開(kāi)始重視和組織氣動(dòng)技術(shù)的研究。無(wú)論從產(chǎn)品規(guī)格、種類、數(shù)量、銷售量、應(yīng)用范圍，還是從研究水平、研究人員的數(shù)量上來(lái)看，我國(guó)與世界主要工業(yè)國(guó)家相比都十分落后。為發(fā)展我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)，提高我國(guó)的氣動(dòng)技術(shù)水平，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，開(kāi)展和加強(qiáng)氣動(dòng)技術(shù)的研究是很必要的。

     2、電—氣伺服控制的發(fā)展概況

     氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)按其采用的電—氣轉(zhuǎn)換元件的不同可分為電—氣比例伺服系統(tǒng)和電—氣開(kāi)關(guān)伺服系統(tǒng)。電—氣比例伺服系統(tǒng)模擬信號(hào)控制的比例閥或伺服閥作電—氣信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)較快，但伺服閥或比例閥造價(jià)昂貴，因而系統(tǒng)成本高，而且對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)。

     早在1956年，Shearer等人成功地將高壓、高溫氣體作為工作介質(zhì)的氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于航天飛行器及導(dǎo)彈的姿態(tài)和飛行穩(wěn)定控制中。由于空氣壓縮性大、粘度小、剛度低，對(duì)于低壓系統(tǒng)很難用古典控制方法和模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)精密伺服控制，因此，氣動(dòng)伺服控制長(zhǎng)期停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段。1979年德國(guó)Aachen R.W工業(yè)大學(xué)W.Backe教授研制出的*個(gè)氣動(dòng)伺服閥大大推進(jìn)了氣動(dòng)伺服控制的發(fā)展。此后，德國(guó)、日本、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量資金和人力成功地研制了各種規(guī)格的比例閥和伺服閥，以及高性能的氣缸、氣馬達(dá)。隨著高性能的電—氣控制元件和執(zhí)行元件的迅速發(fā)展，氣動(dòng)伺服控制技術(shù)的研究也取得了一定的成果。我國(guó)的周洪博士、陳大軍博士對(duì)電—氣比例/伺服系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行了研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授承擔(dān)國(guó)家高技術(shù)“863”計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主課題中的“電—氣伺服系統(tǒng)及其電—氣伺服器件的開(kāi)發(fā)研究”，取得了一定的成果。

     電—氣開(kāi)關(guān)/伺服系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)閥作電—氣信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)成本低，對(duì)工作環(huán)境要求不高，且易于計(jì)算機(jī)控制；但獲得寬頻帶、高精度比較困難。開(kāi)關(guān)/伺服控制zui早出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)中，Burrowszui先將開(kāi)關(guān)/伺服控制用于氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中。八十年代初，T.Eun等人設(shè)計(jì)了一種新的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)，并詳細(xì)研究了該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度。以上的開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)都是通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯判斷來(lái)反饋氣缸位置，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)（PTP）控制，而且精度很低。這期間，G.Belforate等人將機(jī)車(chē)制動(dòng)技術(shù)引入氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種帶抱閘實(shí)現(xiàn)氣缸在目標(biāo)位置定位。這種氣動(dòng)開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)受負(fù)載等干擾的影響大，但定位后的剛度大，其定位精度約±0.3mm。

      后來(lái)，日本的花房秀郎、原田正一等人用開(kāi)關(guān)閥、節(jié)流閥的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)氣缸的分區(qū)控制，獲得±0.4mm的定位精度。意大利的G.Belforate等人也對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他采用的是無(wú)密封裝置氣缸和FESTO公司的開(kāi)關(guān)閥、單向節(jié)流閥及FPC606微處理器等元件。理論上，這種控制能獲得±0.0314mm定位精度，實(shí)際系統(tǒng)受間隙的影響，獲得定位精度約±0.35mm。北京航空航天大學(xué)莫松峰博士用三個(gè)開(kāi)關(guān)閥組成一個(gè)新的氣動(dòng)位置開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便、成本低且性能好等優(yōu)點(diǎn)。

     以上的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，盡管采用了位移傳感器，但位移信號(hào)只是作為邏輯判斷用，沒(méi)有用來(lái)調(diào)節(jié)控制信號(hào)的大小，其本質(zhì)上仍是開(kāi)環(huán)控制，或者說(shuō)是準(zhǔn)閉環(huán)控制。因此，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、控制簡(jiǎn)單；但精度進(jìn)一步提高受到限制。隨著控制指標(biāo)的提高，氣動(dòng)開(kāi)關(guān)控制向脈沖調(diào)制的開(kāi)關(guān)/伺服控制發(fā)展。脈沖調(diào)制方式有脈寬調(diào)制（PWM）、脈沖編碼調(diào)制（PCM）、脈沖數(shù)調(diào)制（PNM）及脈頻調(diào)制（PFM）等。

     PWM控制原理是用一定周期T_s的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)閥（見(jiàn)圖1），用控制信號(hào)控制脈沖寬度D_IT_s（I=1，2，…，n），即開(kāi)關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間。因此，控制D_I的大小宏觀上等價(jià)于控制流過(guò)閥的介質(zhì)流量。典型的氣動(dòng)PWM控制回路如圖2所示。