第1章　智能液压元件及集成应用

1.1　智能液压元件概述

液压技术是传动与控制不可或缺的技术，重要性日益受到重视。在大功率、体积限制严、特殊场合或电难以获得的领域（如风能、海洋能、太阳能、工程机械、海洋装备、航空航天、机器人等）无可替代。

1.1.1　液压技术的发展

液压技术的发展与人类社会工业的发展是一脉相承的。

表1-1为工业革命与液压行业的关系，可以看到：

① 液压技术的发展阶段完全与历次工业革命阶段同步，几乎一致。这也证明行业的发展离不开整个工业的发展趋势。

② “液压2.0”是油液压时代，就技术而言已经成熟。

③ “液压3.0”是液压与信息自动化相联系产品与技术手段发展的时代，就是液电一体化的时代。这一时代的典型产品就是比例阀、电子泵、电液泵、数字阀、数字缸等。

④ “液压4.0”的时代正在来到。对于液压行业而言，“液压4.0”包括三大部分：液压智能生产，液压智能工厂，液压智能元件，以及液压智能服务。

1.1.2　智能液压元件的特点

智能液压元件一般需要具备三种基本功能：

① 液压元件主体功能；

② 液压元件性能的控制功能；

③ 对液压元件性能服务的总线及其通信功能。

实际上它是在原有液压元件的基础上，将传感器、检测与控制电路、保护电路及故障自诊断电路集成为一体并具有功率输出的器件。从结构上看，智能液压元件具有体积小、重量轻、性能好、抗干扰能力强、使用寿命长等显著优点。在智能电控模块上，往往采用微电子技术和先进的制造工艺，将它们尽可能采用嵌入式组装成一体，再与液压主体元件连接。

智能液压元件技术是成熟的，工程实施是可以进行的，但是作为元件增加的功能无疑会对现有液压行业提出极大的挑战。这个挑战来自技术、人员素质、上下游关系与经营理念等，因此必须不断通过创新解决面临的液压技术智能化新的问题。

（1）智能液压元件的主体

作为智能液压元件与液压传统无智能元件主体，在原理上可以完全相同，在结构上也可以基本相同。所不同的是作为智能液压元件往往要将微处理器嵌入在元件中，因此结构需要有所适应而变化。同时，现在也在发展更适合发挥液压元件智能作用的新结构，元件的功能与外形甚至都会有所改变。

智能液压元件必须是机电一体化为基体的元件，智能液压元件一定具有电动或电子器件在内，与此同时还必须具备嵌入式微处理器在内的电控板或电控器件，以及在元件主体内部的传感器。实际上，一个元件也就是一个完整的具有闭环自主调整分散控制的控制系统。

以Danfoss的PVG比例多路阀为例，这是一款20世纪开发在市场有一定占有率的比较有代表性的智能液压元件，如图1-1所示。

（2）智能液压元件的控制功能与特点

在一般液压比例元件的基础上，带有电控驱动放大器配套，归属于电液控制元件。这种元件的比例控制驱动放大器是外置的。这就是液压3.0时代的产品。

将控制驱动放大器与一个带有嵌入式微处理器的控制板组合并嵌入液压主元件体内形成一个整体，这样这个元件就具有分散控制的智能性。从而带来下列好处：减少外接线，无需维护，降低安装与维护成本，简化施工设计，免除电磁兼容问题，可以故障自诊断自监测，可以进行控制性能参数的选择与调整，能源可管理，仅在需要时提供能源，可以快速插接并通过软件轻易获得有关信号值，可以通过软件轻易地设置元件或系统参数等等。这样一来，智能元件就将传统的集中控制的方式，转变成为分散式控制系统。不仅实现了智能控制功能，系统设置也是柔性的，通信连接采用标准的广泛应用的CAN总线协议，外接线减到最少，系统是可编程的可故障诊断的。这种演变从20世纪的80年代就开始了，现在已经在液压元件上采用了较长时间，结构、外形、质量、性能等各方面都比较成熟。

智能液压元件在控制与调节功能上与传统的液电一体化产品相比，有相同地方，如流量调节、斜坡发生调节、速度控制、闭环速度控制、闭环位置控制与死区调节等等，但性能参数会有提高，这包括控制精度的提高、CAN总线的采用、故障监控与报警电路等。例如PVG阀的比例控制的滞环可以降低到0.2%（一般可能3%～5%）。在故障监控上，具有输入信号监控、传感器监控、闭环监控、内部时钟方面。

（3）对液压元件性能服务的总线及其通信功能

智能性液压元件的分散控制的智能性表现在它不仅可以有驱动电流以及电信号的输入，也可以有信息输出。由于元件部分增加了需要的传感器，因此液压元件具有自检测与自控制、自保护及故障自诊断功能，并具有功率输出的器件。这样它可替代人工的手动干预来完成元件的性能调节、控制与故障处理功能。其中可能包括压力、流量、电压、电流、温度、位置等性能参数的监控，甚至包括瞬态性能的监督与保护，从而提高系统的稳定性与可靠性。这里一些传感器是根据液压元件的特点与特性开发出来的，体积小、适合液压元件应用，诸如溅射薄膜压力传感器就是其中的一种。

图1-2为汽车控制CAN连接，智能液压元件CAN连接与其相近。

（4）智能液压元件配套的控制器与软件

智能液压元件在系统的使用与传统元件是完全一样的。但是它的性能参数的设置、调整等需要提供外设进行，这些外设可以是公司专设的控制器或者一般的PC机，但都需要该产品所对应的该公司提供的开发软件系统。

图1-3为智能元件配套控制器与软件。智能液压元件需要该厂商提供相应的控制器与配套软件，用来进行对该元件的设置、控制以及监控等。这部分是对应于该系列元件或该公司同类型智能元件的，因此对用户而言，可以只购买一次即可以用于相应所有同类型元件设置等功能。

1.1.3　智能液压元件应用的效益

当前人类的技术发展已经进入了智能化的阶段，但是在此过程中，要用更大的经济代价来换取这种生产方式还存在不少难点。例如人们还在意价格战，就对智能装备的采用产生困惑性，还有人们追求的是采购成本还是运营成本会对智能化的应用产生决定性影响。因此这种效益的比较还需要人们用更多的创新去解决。

采用智能元件，不论用户还是生产商，都能获得效益。

对于用户来讲，采用上述的智能元件显示得到了更多更好更符合工况的功能，例如采用上述比例阀，会增加不少功能，对双阀芯电子液压阀而言，可以实现挖掘机铲斗振动、电子换挡、水平挖掘、软掘、抗流量饱和等，还可以实现高低速自动换挡、多级恒功率控制、熄火铲斗下降、无线遥控、自动程序动作等。这些功能最后所表现的是发动机与液压系统功率的匹配，从而节能在15%～20%以上。

智能化给用户带来的是两方面的利益。在功能上更全面更有效率。在经济上，主机运转工作效率的提高，节省了工时即人力成本；机器消耗能量的降低，即耗油量的降低，节省了运营成本。另外则是机器提高了安全可靠性，降低了不可预计的故障产生的额外成本。

对于生产商来说，也能获得多方面的效益。

首先是电控智能使主机的性能提高通过控制方面来解决，而不是过去只能通过机械或机械加工的方面解决。

由于采用开放式电控平台，方便了面向个体需求的设计，降低了设计成本；由于采用分散式的控制方式，系统能实现动态可变参数配置，系统运行更可靠，调试更灵活，调试维修成本更低；由于采用CAN总线，电控接线更简单，省线、省查、省工时，可以取消传统控制必需的接线箱，提高了生产效率，降低了劳动强度与难度，降低了人力成本与采购成本；由于采用总线，不仅电控布线简单易行，而且硬件管路的放置也更加灵活，便于安装，可以降低安装成本；由于故障的便捷诊断与远程维护，降低了售后服务成本；产品开发方便快捷，可以个性化定制，降低了营销成本，增加了市场的竞争性。