关于西方模拟液压与中国数字液压的对

液压西方发明了近二百年，促进了工业现代化的发展。液压从简单的手动换向阀、节流阀等逐渐完善，形成了初期的手动操控液压系统。随着电磁铁的引入，出现了电磁换向阀，让液压获得了从手动到电器操控的技术进步，但电磁铁是开关量控制，不能控制阀口开度，不能满足更高水平的液压要求，于是出现了可以控制阀口开度的阀，即伺服阀，最先出现的是 70 年前美国发明的MOOG 伺服阀，该阀是控制电磁力大小来控制伺服电磁铁运动，用它带动一个铍青铜的喷嘴挡板，让喷口产生节流阻抗，用这个喷口的压力差去推动二次阀芯，阀芯运动，通过机械反馈将挡板推回原位，于是电磁力的大小就决定了阀口开度的大小，也就决定了输出流量的大小，这就是美国 MOOG 阀的工作原理。这个阀带动的弹簧挡板质量很小，因此可以获得高频响。这个阀的缺点是喷口太小，因此极易堵塞，十分娇气。但由于高频响的特质，伺服阀在重要的、反应要求快的系统中获得广泛应用，如飞控系统， 轧钢机 AGC 控制系统等等。但这种阀要求的制造精度高，价格昂贵， 使用和维护都比较麻烦，为了更多用户能够用上伺服技术，于是发明了电磁比例阀，电磁比例阀其实就是将开关型电磁阀的电磁力实现控制，直接推动阀芯运动，这个推力可以与弹簧平衡，推力越大，开口越大，阀的流量也就越大。这就是电磁伺服阀的原理。如果需要更大的流量，电磁铁推不动了，于是就进行二次放大推动更大的阀芯,这就是二级比例伺服阀。

美国 MOOG 伺服阀

比例伺服阀

上面的两种阀都属于模拟量控制的电磁力阀，它是控制电磁铁输入电流  的大小而控制电磁力的，阀口开度与电磁力大小成比例，希望输出的流量也成比例，众所周知，阀口开度不可能实现精确的流量控制，流量大小还决定于阀口形状、阀口压降、油液温度等等，因而输出的流量是不准确的，流量不准确，执行机构油缸的速度就不准确，位置就不可能准确， 于是就出现了带压力补偿的比例伺服阀，或者在阀上安装多个传感器如测量阀芯的位置、P.A.B.O 口的压力和油液温度，通过计算机算出它的流量控制阀口开度，即丹佛斯和浙大推出的智能阀或双阀芯阀，但这种阀在测量压力时，由于踹流的影响误差很大，因而控制流量的精度在 5%左右，与加装压力补偿阀的精度差不多，但由于安装了六个传感器，还要高速运算的处理器，因而双阀芯阀价格十分昂贵。

丹佛斯双阀芯阀

美国高端伺服控制器

所有这些目的都是希望实现精确的流量控制，如果还要实现精确的位置控制，就必须加装油缸位置传感器了，这就是电反馈的大闭环控制。他的控制原理是控制器输出一个电流（或电压）信号去打开一个阀口开度（有时为了准确的控制阀口开度，还要在阀芯上加装位置传感器，实现阀芯位置闭环）。阀口打开后，输出一个流量去驱动油缸，油缸运动，利用传感器检测油缸的位置，利用高速计算机的高速采样获知油缸位置，将这个值与计算机内部的运动轨迹（或引导线）取相应时间点进行比较，测出偏差， 将这个偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，然后输出一个新的电流信号去打开一个新的阀口开度，不断反复这个过程，直到跟随引导线走完全程，没有引导线计算机就没有根据，就不知道误差多少，所以必须要在控制系统内设置一根引导线。

如果没有高速采样就会偏离引导线误差较大。如果伺服阀频响太慢就不能执行高速采样后输出的电流变化。如果 PID 的参数取值不准，阀口的开度就不理想甚至引起振动。如果阀口的线性化不好就不能准确获得计算机希望的流量输出。这一切的如果，就加大了这种伺服系统的调试难度，也推高了这种伺服系统的价格，因而我给这种系统取了一个名字叫瞎子走路，它是不断摸索引导线前进的，摸一步走一步，没有那根引导线他就不知道怎样走，而产生一根引导线必须要较高级的计算机，还要复杂的编程，这就推高了控制器的价格。没有高精度分辨率和高响应的传感器就不能获得高水平的控制。没有高速响应的伺服阀也不可能获得高水平的控制等等，这一切的一切，都加大了这种伺服系统的价格高度和使用难度。我給这种大闭环电反馈系统总结了四句话：开环输入看结果，闭环反馈看误差，不断调整输入量，紧跟引导不走样。这就是现在的电磁液压即模拟液压的最高水平。他的输入与输出无法形成精确的计数关系。这是他的最大不足。

美国的伺服缸

数字液压伺服缸工作原理图

2.中国数字液压—电机液压—识数的液压—聪明的液压同样的伺服阀，我们不用电磁驱动，而采用电机驱动，大家都知道，步进电机或伺服电机都可以采用数字脉冲驱动，如 1000 个脉冲电机转一圈，这是一 一对应的数字关系，是物理特性所决定了的。下面我们以数字缸为例， 看看电机液压的可计数性（见上图）数字阀是安装在油缸尾部的，数字伺服阀的油路与油缸前后腔沟通。

以四通滑阀为例， 步进电机 1（或伺服电机）转动阀芯 2，阀芯头部有螺纹与反馈螺母 3 相链接当阀芯旋转时，在螺纹付的驱动下会产生轴向移动打开阀口输出流量，油缸会产生移动，在移动过程中通过油缸活塞上安装的滚珠螺母 4，再通过滚珠丝杆 6 产生旋转运动，这个旋转运动与阀上的螺母相连，他的旋转方向与电机驱动的方向相同形成 数字智能控制器负反馈，如果油缸的速度低于主动电机的速度，阀口会自行打开，当油缸移动的速度与电机需要的速度相同时，反馈螺母的转速与电机转速相同，阀口开度保持恒定，如果在运动过程中油缸阻力突然增加，油缸速度变慢，阀口开度加大，减少阀口压降，油缸推力上升，速度加快，直到新的平衡，如果负载突然减小，油缸速度加快，反馈螺母加快，关闭阀口，形成时时跟踪负载变化的自动调节，这时候油缸的速度就是电机的转速，也即控制器输出的脉冲频率。

当电机停止转动时，由于阀口还是开着的，油缸会继续前进一小段距离，通过反馈自动逐渐关闭阀口， 形成自动减速停车，整个行程与电机的转角成正比，也即与控制器发出的脉冲数量成正比。即脉冲频率就是油缸速度，脉冲总数就是油缸行程， 一一对应。这就是可计数的数字液压，聪明的液压。目前的发明已经形成了一个全线贯通的产业群。涉及缸、泵、阀、油马达、传感器、插装阀、控制器等等。流量范围和应用范围几乎覆盖了传统模拟液压全领域。将西方发明了 200 年的模拟液压全面推进到数字液压新阶段。

智能数字缸外形

数字智能控制器

3.下面是国内外最新的高端液压缸总成对比

所有的液压元件都是为终端执行器——油缸或油马达的运动控制服务的，不管元件多么高大上，组成后的系统性能才是决定一切的。下面看看最高端的总成对比。

3-1.国外高端模拟液压的最新集成进展：

1）力士乐的 EHA 油缸：

在油缸上集成了直流伺服电机、定量泵， 蓄能器、各种阀、传感器、控制器等等， 利用控制直流电机完成油缸的速度控制和位置控制。这种系统的缺点是体积庞大，价格昂贵，能源不公用，低速性不好，精度不如阀控系统，唯一优点是节能，绕开了麻烦的阀控技术。

2）力士乐一体化缸

将传感器、伺服阀、油路块集成到油缸上， 控制系统单独外置的一体化缸，必须单独编程和现场 PID 调试。这是目前最高水平的伺

服系统，它的优点是全部集成在油缸上，管路短，缺点是体积庞大，控制器外置，需要在计算机内编制控制曲线，还有复杂的现场调试 。

力士乐一体化缸

3）英国推出的一体化缸

将DDV 伺服阀集成到油缸上，用机械外反馈代替闭环控制。缺点是外形庞大， 结构复杂，不便于安装。标准化系列化难。最下一张图是采用 3D 打印技术集成的一体化缸，主要用到飞控系统上。这实际上也是将电机、泵、各种阀集成到油缸上，从图中就能感觉到特别复杂而高大上，但其实也同样是实现精确的速度控制和位置控制。

国外最新的一体化伺服缸

下面再看看同样功能的中国数字智能缸：

3.2 中国的集成一体化数字伺服缸

1）一体式数字伺服缸

在缸内集成了传感器、伺服阀、控制器等， 与国外一体化功能相同，外形简单，无须任何单独编程和现场调试，即装即用。

中国的一体化数字伺服缸

速度精度千分位，位置精度最高可达微米级，调速范围数千倍到上万倍。在油缸外面什么也看不到，体积小，安装维护十分方便，价格便宜，标准化、系列化容易。已大量应用成功，最高水平的是一次成功轧制出了超高精度的手撕钢，超越了采用最先进的美国 MOOG 伺服阀的水平。下图分别是安装在西洛渡 77 万千瓦水轮发电机组和包头钢厂20 辊轧机上的数字缸应用实况，经受了长期可靠工作的考验。

2）分体式数字缸

它的组成与上面力士乐一体化伺服缸完全相同，油缸上安装有位置传感器， 数字伺服阀可以安装在任何位置，一般是安装在油缸上，体积远比力士乐缸小，配上专用的廉价控制器，实现了即装即用免调试，其性能与整体式数字缸相似。这种分体式数字缸长度比一体缸短。抗冲击能力强， 适合用于非道路机械如工程机械、农业机械等应用领域。它的制作长度不受限制，也特别适合长行程的大型闸门使用。这种缸的最大优点是可以对传统主机的液压系统进行不停机改造为先进的数字化主机。

4.西方模拟液压与中国数字液压的全面比较：

1）模拟液压价格昂贵，是数字液压的 2-3 倍或更高。

2）模拟液压无法实现指哪打哪的精确速度控制和位置控制，必须反复调试PID 参数，增加了现场调试人力成本。数字液压即装即用。

3）数字液压与计算机技术和信息技术天生融合，信息技术的所有进步都能与数字液压无缝连接。模拟液压困难。

4）数字液压由于环节少，可靠性大大提高。

5）数字液压元件磨损不影响精度，只降低效率，使用寿命长。

6）数字液压没有特殊的材料要求（如铍青铜），制造简单容易。

7）数字液压技术门槛低，便于普及推广。

8）步进电机驱动力量大，单级阀即可做到上千升。

9）数字液压抗污染能力超强，故障率低，几乎实现免维护。

10）一体化数字缸刚度特别好，适于超精密应用领域如轧制手撕钢。

11）数字液压很容易实现数千倍至上万倍的速度调节，模拟液压很难。

12）数字液压特别适宜任意数量油缸的多缸同步。模拟液压很难。

13）数字液压分硬反馈和软反馈两种，都是免调试即装即用。并且体积精巧，便于安装。

14）软反馈数字缸的重复定位精度也达到丝米级。

15）软反馈数字液压能够对现有主机实现不停机改造，将普通液压主机立即升级改造为高性能数控主机。

16）关于国外伺服油马达和电子变量泵与中国数字油马达和数字变量泵的对比更不在一个水平上，为节省篇幅，就不再详叙了。

通过上面全面对比，只要不报偏见，就可得出：

中国数字液压全面优于西方模拟液压！并且这个结论是经过了30 以上的应用考核，是大量实际用户给出的结论。

数字液压颠覆了西方 200 年的模拟液压，实现了工信部所说的换道超车！将西方模拟液压全面推进到数字液压新阶段。为智能化、网络化做好了充分准备！

人工智能是大脑、钢铁是骨骼，数字液压就是灵巧的肌肉，三者结合，  将推进中国上至航空航天，下至深海机器人、所有的军事装备、工程机械、农业机械、冶金、机械、石油、水电、矿山、海洋装备、机器人等国民经济各领域全面的技术进步！

把中国的数字液压比喻为实体经济领域的 5G，如果与中国信息领域的 5G 相结合，将拉动中国数以十万亿计的经济效益和社会效益！意义十分重大、影响十分深远！

再补充一点数字液压与传统三大技术的性能对比表

杨世祥 联系电话 1380129065