我从事液压运动控制项目已有35年了。在那段时间里，我看到权威人士预测液压行业即将消亡。那为什么没有发生呢？答案很简单。液压技术和培训的进步使得液压技术与其他机械和移动设备供电装置的固有优势得以在实际应用中得到证明。
二十年前，我坐在一家大型液压公司的阀门副总裁面前。副总裁似乎对伺服控制并不感兴趣，因为它不到公司总业务的5％。他还认为伺服控制有点危险。有些人可能对此感到气馁，但显然有机会通过用计算机控制的液压系统取代传统的开关液压阀来提高这一百分比。
需要更好的控制
机会似乎很清楚。从本质上讲，用液压伺服控制代替旧的开环“bang-bang”系统，可以执行伺服电机控制器可以执行的所有命令，并以相同的精度移动。这是一个崇高的目标，因为在20世纪90年代中期磁致伸缩位移传感器（MDT）的反馈仅提供了约0.001英寸精确度。使用编码器的伺服电机可以达到0.001英寸以上精确度。但是，液压伺服控制器现在可以使用与伺服电机相同的反馈装置。比赛场地已被夷为平地，分辨率为1.0μm的MDT现在已成为常态 – 如果不是，它们应该是！
早在20世纪80年代，我的第一个液压“控制”应用之一必须将一块木材移到木材厂的位置。一个高速阀和一个低速阀由两个数字输出控制。操作很简单：
- 打开两个阀门以实现高速运转。
- 关闭高速阀减速。
- 在负载到达停止之前关闭低速阀，让机器“滑行”停止。
- 打开低速阀门，使负载保持在停止位置。
反馈是一个绝对旋转编码器连接到齿轮齿条驱动器。除非小齿轮在机架上跳过，导致编码器未对准，否则这种情况很有效。这是因为液压系统使用简单的开关（bang-bang）阀门。
我们都听到的一个抱怨是油泄漏。这在很大程度上是一个问题，因为大多数系统都会发生液压冲击。阀门瞬间从完全关闭变为完全打开时，压力的急剧变化往往会在每次阀门移动或气缸撞到行程结束时将油推过密封件。
幸运的是，该行业在减少泄漏方面已经走了很长的路 – 通过引入泄漏的可能性较小的组件以及提高减少泄漏的解决方案的意识。例如，我在一个贸易展览会上穿着西装，在我们展位上的演示装置上断开液压软管是安全的。由于改进的快速拆卸配件，我没有溢出一滴。
今天的运动控制器可以克服这些问题并平稳地移动重载，避免阀门几乎瞬间换档或气缸突然到达行程终点时的液压冲击。存在水力设计技术，其在不影响运动控制的情
成功的力和位置控制使用电子设备来补偿非线性，差动区域和液压系统的其他典型条件。
控制力的正确方法
压力（力）控制也经历了很大的改进。实际上，我在一家PLC公司的区域销售经理的鼓励下，试图在1990年左右的某个时候对注塑机实施液压控制。在我考虑了一段时间之后，很明显许多液压回路设计师都错了。他们使用安全阀来限制汽缸盖侧的油压。在我看来，安全阀是一种安全装置，而不是一种控制装置。
使用安全阀来控制压力的一个问题是它无法检测压力瞬变（尖峰）以便在控制瞬态以减少压力过冲时获得先机。但主要问题是，在压力超过弹簧确定的设定值之前，安全阀不会释放任何压力。
另一个问题是弹簧的反应不一致。更糟糕的是，许多设计师认为当气缸伸出时，杆端的压力很低。实际上，如果盖区域与杆区域的比率是二比一或更大，则杆端压力实际上可以是延伸时的盖端压力的两倍。换句话说，活塞返回侧的相反压力与活塞动力侧的力相反。设计师经常不考虑这种反对的压力。
最终，大多数设计师都对力控制而不是压力控制感兴趣。力控制需要使用称重传感器或使用两个压力传感器，一个位于气缸的两端。活塞两侧的压力乘以该侧的面积。通常从顶端力减去杆端力以获得净力。
称重传感器更准确，因为它们直接测量实际力，而不是压力。然而，对于工业环境，称重传感器通常不够坚固。显然，安全阀是不够的，因为它们只监测汽缸一端的压力，并且无法“知道”活塞的面积是多少。
更强大的微控制器允许更多“强大”的算法
微控制器技术允许使用超越简单PID（比例积分微分）控制的闭环控制算法。存在多种形式的PID控制，每种形式具有不同的优点和缺点，这将在未来的专栏中讨论。PID的一个增强使用算法中的前馈项来估计跟随具有最小误差的运动轮廓所需的控制信号。
先进的运动曲线生成器和闭环控制使液压伺服控制技术与电动伺服电机控制的速度和精度相匹配。甚至基本的运动轮廓也可能更复杂，并且使用S曲线加速，而不会由简单的线性斜坡产生无限的加速度。
可以通过在特定时间指定位置，然后使用运动控制器平滑地“连接点”来设计任意运动轮廓。运动轮廓生成器的功能主要受用户的数学熟练程度的限制。这意味着在特定应用中选择液压或电动机之间的决定主要取决于工作循环和负载的大小。
更强大的处理器为诊断，数据记录，趋势，以太网通信以及独立于PLC或PC运行控制程序的能力打开了大门。过去，PLC或PC必须通过发出所有命令和监视状态来微控制运动控制器。现在，液压伺服控制器可以使用多任务状态机运行控制程序。
液压动力的核心
其他创新的地方是液压动力装置。我看到的一些第一个液压系统使用固定排量泵，在没有负载需求时简单地将油泵送到安全阀上。然后是压力补偿泵。这些在节能方面有很大改进，但不太适合液压伺服控制。
压力补偿泵的位移（流量）由其斜盘角度确定，该斜盘角度由弹簧和当前系统压力控制。最大压力的设定值取决于螺杆转动到预加载弹簧的距离。弹簧的刚度控制斜盘角度随着压力下降而移动的程度。这意味着泵在压力下降固定量之前不会产生最大输出，这可能高达200 psi。
更新，更好的解决方案是使用电子控制来将压力保持在设定点，从而提供更恒定的系统压力。存在其他机会使泵控制更好。一种是在负载较轻时也控制泵的速度以减少能量消耗。另一种方法是监测下游负载并使用它们来计算前馈值，以便泵可以立即对负载变化做出反应，而不是等待压力下降。
培训减少浪费的时间和金钱
培训是多年来急剧改善的另一个领域。通过阅读杂志文章和书籍可以获得一些知识。当然，互联网提供了大量的信息，但你需要时间和搜索技能来找到你想要的东西。您还应确保源是可信的，因为大部分信息可能不可靠。博客和论坛还可以为共享信息提供一些良好的互动。
在论坛上进行了20年的“流动使它成为现实”之后，我认为我们看到的设计错误更少了。不幸的是，液压论坛来去匆匆，多年来发布的信息经常会丢失，而不会引起读者或贡献者的关注。
关于液压系统的许多方面 – 特别是控制 – 并不直观，因此许多人采用了试错系统设计和故障排除。但事实证明，这些方法成本太高。此外，它们可能产生足够的结果，但很少有最佳结果。我在20世纪90年代后期意识到，培训是必要的，以克服恐惧因素和制造代价高昂的错误的倾向。
为了帮助解决这个问题，我们在Delta Computer Systems启动了培训计划，该计划从简单开始，并通过添加更好的培训材料和动手实验进行了改进。我们需要改进的一个领域是我们的培训面向那些做控制的人。没有足够的液压设计师参加，所以我们正在努力。
自20世纪80年代初以来，我一直从事液压控制工作，在此期间，我看到了许多变化并参与了许多应用。似乎每次我帮助解决问题，我都会发现一些可以改进的小问题。我希望将来看到的是愿意提高一点，以鼓励持续改进。
我还希望看到液压元件制造商提供有关其组件的更详细信息。[编者注：开发流体动力元件数学模型的国际标准是杰克约翰逊的热情。他和来自世界各地的其他行业专家为此组成了一个ISO工作组。
即使是简单的部件，例如软管，也应该有关于每单位长度的液压电容的数据。更好的数据应该会带来更好的设计。在某种程度上，我对此有点自私，因为更好的设计会减少我们获得的技术支持电话的数量！
原文作者：Peter Nachtwey，Delta Computer Systems Inc.总裁。
本文来自Peter Nachtwey，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。
