1.7 工業4.0智能化下未來的液壓技術概念

1.7.1 液壓智能互聯數字化下的技術發展理念

圖1-46  工業4.0時代液壓技術

數字化網絡化智能化的基礎作用

作為工業4.0的液壓技術發展觀（圖1-46），應該有四個大概念：

1）在液壓工業4.0時代，AI人工智能軟件、芯片在內的集成與物聯網的的生態環境對于所有各類的液壓技術與產品全覆蓋。也就是像圖1-46所示那樣，在各類液壓核心元件的基礎上，一定有數字化基礎配套，完成設計、仿真與試驗環節；一定有網絡化基礎，產品可以實施通信，遠程診斷，利用云技術與大數據，完成服務環節；也必然有智能化基礎，實現元件與系統的自主控制與自主診斷。

2）液壓本身應用領域必須向外拓展與延伸。

液壓技術及其產品將從現在傳統的自動化領域中拓展出去。研究方向的視野應該更開闊。可以利用液壓低速直線等特性，簡單廉價來收集清潔能源的能量，通過蓄能器的儲能或水輪機等辦法去轉換成電能等，這包括風能、潮汐能、太陽能以及海水淡化后多余能量再利用，從而形成能動型液壓分支。

還應該利用近年來靜液壓技術驅動技術有三項重大發展：靜液壓機械功率分流無極變速箱的批量制造成為工程機械傳動技術制高點、串聯型油液混合動力技術的靜液壓技術進入汽車產業大門、電控配流的靜液壓泵與馬達研制成功使靜液壓進入電液一體化與信息化大門，從而形成傳動型液壓分支。這一分支包括靜液壓驅動、靜液壓機械功率分流驅動、靜液壓與液力傳動結合、靜液壓與電力傳動結合以及油液混合動力靜液壓驅動。微機電系統MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）中的微液壓/微液控（Microfluidics），作為“智能灰塵”的顛覆性技術已經可以納入液壓技術新領域。目前MEMS的最大市場是智能手機，微流控技術是它的派生分支，90年代噴墨打印頭就是微液控的典型應用之一?！拔ⅰ弊指拍钍牵?.2-3mm尺寸的物體， 其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。微機電系統是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。是一項關系到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。其特點在于微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產，并具有通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統的廣泛空間。微液壓在生物、傳感器等方面展示其應用新領域新方向。我國的MEMS廠商已經進入啟動，尚需趕快發展。

3）液壓元件電液融合下的分布式液壓系統是大方向。未來液壓系統與執行結構集成并分散布局，電控分散布局但管理集中，實施能源智能管理。這個特點的體現是EHA（Electro-HydrostaticActuator）,它是由“多電飛機”催生的液壓系統高度集成的新形態，體現了液壓元件與電機電控高度融合與集成的大方向，充分發揮液壓高功重比與電力電控的控制優勢，形成新一代電液智集成產品。首先稀土永磁無刷直流電機、變頻電機、步進電機、伺服電機等新技術新產品的發展大大提高了電力驅動系統與電控的性能。從長遠看由于電氣材料的磁飽和強度的進一步提高與蓄電續航能力的進一步增強，加上電控與互聯網的發展，電力驅動必將逐漸占主導地位。但是液壓技術的功重比高、頻響高、可帶載頻繁啟動與換向等仍然有不可替代的優勢，電力與液壓傳動將長期并存相互補充。目前應該發展功率型數字液壓，功率不斷增大；另一方面發展EHA，它是航空多電化的體現，也是市場新契機，不僅符合航空液壓的新要求，也符合工程機器人的發展要求，即使用于小功率的固定設備，多電化液壓也有其優點。

液電融合體現液壓發展的新的理念：

 -- EHA將伺服等形式電機與液壓元件高度融合，數字、互聯與智能液壓相互融合。通過液壓元件與嵌入式傳感器、嵌入式微處理器相結合，發展智能數字比例通用液壓元件與系統（圖1-51）。

-- EHA的高度集成與輕型化，加強了液壓功重比優勢，促使液壓元件向更高壓力（63MPa）與更小排量的液壓元件方向發展，將油的體積與質量明顯降低（圖1-55）。

-- 少管化少線化，使維修護理簡化到極致。EHA管路幾乎難見；由于利用網絡、總線與遠程控制技術，布線少。

-- 電機的雙向易于設法儲能節能，利用再生功率。

-- 液壓元件或系統的控制器協同主機控制器，可以實現協同、分擔、分享、冗余等功能；

-- 易于實現智能化的自主控制與自我診斷功能。

  圖1-51   EHA電靜液作動器及其工作原理圖 

圖1-55 提高壓力對“功重比”的影響

電靜液作動器EHA將電機、液壓泵、油缸集成，直接采用泵控制作動器（油缸）。它預示今后EHA的概念將會擴展到運動型液壓系統的各個方面，如圖1-64所示用于工程機器人。當然它的應用主要會受到功率以及體積的限制。目前研發樣機的功率在10kw以下（中等功率）、壓力35MPa、轉速20000rpm以及功重比在0.2-0.25kw/kg。如采用高速高功重比電機的話則功重比可達5.4kw/kg，動態響應≥8-15Hz。今后EHA需要開發大功率＞10kw或者更大，要達到超大功率（＞20-30kw）還有很長的路要走。目前電動靜液作動系統（EHA)在向其與總線驅動技術相結合。但是EHA的發展面臨三大方面的挑戰：首先是高壓高速下的能量高效轉換機理下的硬件架構；多種介質耦合的機理，這些介質是電磁、流體、熱場、機械等的系統組合下的流態設計；最后是智能控制算法為基礎的自主調控軟件與自主健康管理與故障檢測軟件。

圖1-64 液壓布置分散電控管理集中的新型液壓系統原理圖

這一理念將催生液壓泵的結構性變革與將能源管理納入液壓控制系統，達到節能的最佳效果。這時從控制單元發出的信號將激發整個系統的運動，與此同時將智能化液壓泵的能源管理納入，同時根據傳感器的工況識別確立電機與泵的變量關系達到最佳的功率匹配。而這一切與今后發展的智能化是分不開的。

4）發揮靜液壓領域（HST）的優勢，并植入互聯智能控制成為系統主流

靜液壓技術的特點是在主系統中沒有節流控制元件，將液壓技術的能量損失盡可能減到最少。這種以泵控為主的方式減少了閥控必然產生的閥口節流損失，特別是在大功率的情況下。節能與功率回收是其特點。靜液壓目前應用還是以驅動輪邊液壓馬達為多，也成功向傳動型變速箱方向拓展。今后應推廣到液壓缸的驅動上，如圖1-62所示的發明專利。但由于需要增加蓄能器以及閉式泵制造難度大等，市場接受度會受影響。但是功率回收方面的優點會被廠商與用戶接受。

今后應在挖掘機、推土機以及各種機械上得到推廣應用。圖1-61是對未來工程機械液壓系統功率回收的設想方案---二次調節回路所采用的靜液壓理念。在2016年的德國寶馬展覽會和美國拉斯維加斯礦業展覽會上，利勃海爾公司展出了世界上最大的靜液壓驅動推土機PR776，功率高達565Kw，現在有六臺PR776在我國西藏5000多米的高原礦山運轉。另外，力士樂公司的靜液壓風扇驅動裝置的推廣與試驗也證明靜液壓系統的優點有風扇轉速與發動機轉速解耦、風扇轉速的無級（比例）控制等，達到節省燃油多達5%、降低噪音等級與靈活布置系統部件等，并且試驗表明比之機械傳動風扇與電離合器風扇性能要更好。         

圖1-62    屬于發明專利的靜液壓系統（2013年）

圖1-61  液壓系統二次調節回路功率回收設想方案     

靜液壓傳動在拖拉機、牽引車等作業頻繁、低速穩定性高、機械形態復雜、驅動多用戶、電控要求高等的應用場合為宜，油液混合動力的要求給與靜液壓進入汽車領域可能性，能否向其他類似汽車領域的進一步發展也是一個方向。目前靜液壓無極變速箱（圖1-75）已經達到10KW的功率水平，可以展現更大的作用。

圖1-75  液壓無極變速箱（KHS-23）

1.7.2 新原理的數字智能液壓泵與數字智能控制閥

作為傳統液壓元件的泵閥已經基本定型，幾十年來在原理方面基本沒有大變化。但是液壓數字智能化可能會為液壓泵與液壓控制閥帶來從未想象過的改變。這一切已經在研發應用，但是還沒有市場化。

1.  打破斜盤變量概念的液壓數字變量泵/變量馬達

傳統的柱塞式液壓變量泵的基本原理就是改變泵斜盤的角度或者改變斜軸的角度，從而改變了柱塞的行程達到改變排量的目的。而在數字泵與數字馬達中，是利用高速開關閥控制柱塞行程中的工作距離而達到（圖1-75），或者是利用改變所用的泵的數量疊加度達到（圖1-76）。

圖1-76  液壓數字馬達島變量泵組

圖1-75    液壓數字高速開關閥變量泵  

圖1-74   全液壓風力發電機系統原理圖 

圖1-75   液壓數字泵在不同工況下與傳統泵性能的比較

圖1-74展示了這種數字泵的應用場景，在電控的配合控制下才能將傳感器測量到的工況需求與高速開關閥的啟閉一致，并達到系統的高效率如圖1-75所示。由于數字泵柱塞進油與排油完全由高速開關閥控制，可以完全與風機葉片旋轉的工況一致，所以可以有這樣高的效率與這樣低的能量損失。但是這樣的數字泵與馬達的價格昂貴，達百萬人民以上。實際上，我們還可以用分散的EHA的思路解決這個問題降低成本。

這種數字泵實際上與汽車燃油噴射系統的控制原理相像，根據工況需要進行供油。所不同的是燃油噴射系統的流量極小，而在這里所控制的高速開關閥的流量要大，因此閥的頻響與閥的通流量是個矛盾。因此目前用于轉速較低的液壓泵于馬達中。隨著技術的發展，這種排量控制原理會發展到目前傳統的液壓變量泵上。

2. 打破壓力、流量、換向分類控制概念的液壓智能控制元件

圖1-65展示了最基本的液壓智能元件的原理。

圖1-65 液壓智能節流基本元件

根據許氏液壓簡易建模理論可以理解液壓智能控制閥就是一個品種：液壓智能節流閥。液壓智能節流閥可以實現壓力控制、流量控制與方向控制。因為只要傳感器給定什么參數的信號，該閥就可以產生需要的節流功能，以實現不同的參數控制作用。

整個智能節流元件由6大部分組成：嵌入式壓力（溫度）傳感器、控制運算微處理器（芯片）、總線或互聯通信裝置、數字放大驅動裝置、閥功能執行部分、包括AI在內的性能控制與診斷軟件程序的六大功能部分。

嵌入式壓力傳感器置于節流閥的進口與出口，可以測量此節流閥的進出口壓力，也是感知整個節流閥在工作狀態下的壓差。此節流閥實際上是一個高速開關閥，它的流量輸出與其電磁鐵的開關時間比即占空比τ的大小有關，也就是與此高速開關閥的PWM信號下的占空比有關。液壓智能節流閥流量可用下列公式表達：

（1-1）

式中      Cd --- 節流閥節流口流量系數；

             A --- 節流閥流量調節面積梯度（m）;

             ρ---液壓油密度（kg/m3）;

            △P---節流閥進出油口壓力差（Pa）;

液壓智能節流閥的理論流量由公式（1-1）確定。從公式可知，通過節流閥的流量既與壓差有關，也與占空比大小有關的當量面積即A(τ)有關。如果占空增大，A(τ)也就增大，高速開關閥輸出的流量就大。如果此閥置于系統中，其如果希望節流閥流量加大，只要提高閥的此當量面積A(τ) 的占空比就可以了。作為節流閥的流量性能受負載的影響大，即受節流閥前后壓差變化的影響大，無法達到流量不隨負載的變化而變化。

作為智能控制閥，它的電磁鐵受到微處理器的控制。微處理器的作用是在軟件算法的編程下，按照編程算法的要求控制電磁鐵的占空比，達到控制的目的。由于此閥具有嵌入式壓力傳感器，因此微處理可以感知元件系統中的負載變化。如果此時微處理器能夠接受編程要求，在感受到壓差（P1-P2）,有芯片運算后，使輸出的占空比τ能夠始終讓Q(τ)為常數，就達到了讓此節流閥獲得了調速閥的功能。此時這個節流閥是在軟件編程中算法的決策下，自主來適應工況的要求，達到自主控制的目的。這樣的元件就是液壓最基本的智能元件，即只要目標要求確定，節流閥能夠根據識別的工況，智能性的調節所要求的流量輸出。

從這個最基本的液壓智能節流元件可以看出：此調速閥從硬件角度看不需要傳統調速閥中的減壓閥，而是用軟件算法的控制功能替代了此硬件，并達到自主控制下恒流量的結果。因此液壓元件智能化可以簡化元件硬件結構使功能軟件化，同時一個節流閥即可以作為節流控制也可以作為調速閥控制，減少了液壓控制元件的品種。

 

其次我們在生產出此節流閥后，通過出廠檢驗就可以獲得這種節流閥的流量-壓差曲線（ΔP-Q曲線）。因此對于這個元件從故障診斷理論角度說，這個元件是一個“白箱”，它的性能參數特別是流量系數Cd是完全已知的，是透明的。因此在實際節流閥運行時，我們芯片可以通過對壓差（P1-P2）的實際測量與所得到的占空比τ之間的聯系判斷出是否在正常數值上，通過歷史數據的積累（大數據），通過人工智能的算法來判斷此閥輸出是否異常。由于這種故障診斷的辦法是在白箱的基礎上通過逆運算的辦法，簡單易行，而不是現在對于發動機之類故障診斷的“黑箱”辦法，所以稱之為“灰箱故障診斷”辦法。

液壓的節能主要考慮二種情況：盡可能按工況的需要提供能量；負負載的能量能夠回收。由于液壓智能元件而言，由于它可以通過傳感器獲知元件自身的工況，因此此工況信息不僅用于自身的自主控制，還可以提供到電控制器里與其他同類信號的信息相比參與到整個系統的控制達到節能的效果。由于液壓智能元件是能夠通過傳感器來辨識工況，因此可以在最小的壓力損失情況下進行調節，從而達到提高效率的目的。

 

人工智能是解決液壓問題的一個新途徑，用融合電控、融合AI軟件的思維解決過去只能用硬件解決的問題，大大拓展了我們解決液壓技術問題的手段。現在人工智能至少看到對解決液壓問題有三大優點：1.減少液壓控制閥的品種與種類，更便于智能生產；2. 是解決液壓效率低的新的手段與新的思維；3. 可以為十分復雜困難的元件健康管理找到一個新途徑，應該可以對液壓元件或系統進行全生命周期的健康管理與遠程調試找到一條簡易之路。

 

1.7.3 液壓智能元件的硬軟件生態系統

1）液壓高速開關閥或比例伺服閥是液壓硬件基礎

液壓智能元件必須具有電液轉換裝置如比例電磁鐵、高速開關電磁鐵、步進電機、伺服電機等，將電的控制轉換成用于控制液壓執行結構的動力。智能功能一定是在元件的數字功能基礎上形成，目的是在采用微處理器時，沒有任何A/D或D/A轉換是最節省時間的。因此液壓智能元件最好是在液壓數字元件的基礎上發展。

目前液壓數字比例元件還在發展過程中，市場接受度不及模擬式比例閥，數字式比例閥的最好的性能參數也不及模擬式比例閥。在目前模擬式比例元件市場的接受度非常高的情況下，液壓智能比例閥的發展就可能是數字式比例閥也可能是模擬式的比例閥為基礎。要發展到完全的數字式比例閥還需要一個過程與時日。

目前液壓比例元件可以分為模擬式比例閥與數字式比例閥，為了適應數字技術的發展，目前的模擬式比例閥的輸入也已經發展可以具有數字量的輸入接口或用數字電路結構實現的總線接口，這二個技術措施都提高了模擬式比例閥與計算機的直接接口能力和信息交互能力（圖1-66與圖1-67）。

圖1-66    模擬式比例閥的數字接口

圖1-67     比例閥的CAN總線接口

2）高頻響的軸控制器

高頻響的軸控制器（圖1-69）是液壓智能控制元件的電控硬件基礎。

圖1-69    PC運動控制器的液壓控制系統

從液壓智能元件工作原理可以理解，智能元件的運算速度要求非常之高，要能夠隨著工況的瞬間變化而作出運算決策。因此已經不是一般通用PLC可編程邏輯控制器可以承擔的了。這時由于首先需要傳感器識別然后微處理器運算，再動作泵或閥的執行，因此整個控制過程要求很高的頻響，所以控制器就應該有充分的響應速度實時處理才能達到效果。

這時電控硬件需要更專用的微程序控制器（數字軸控制器），它的應用將越來越得到重視。微程序控制器就是專門用于運動控制的PLC，是專制的更結合應用對象的控制器，設計、結構、修改或擴充都簡單方便，不僅結構上模塊化、易于實現控制系統集成化標準化，為液壓運動控制系統提供一個統一的硬件平臺，甚至可以將PC機系統嵌入到此運動控制卡中，形成PC運動控制器的液壓系統（圖1-69）。

目前力士樂數字軸控制器（如R901134618等）就是液壓驅動控制方面的“全能型”的微程序控制器，有開放式接口和編程標準。按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動和反向的主令裝置。由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是發布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。運動控制支持任何常用的現場總線和以太網協議，與各種自動化環境無縫配合。在此液壓控制器中運用液壓與運動控制技術相互結合的專有知識，形成液壓和混合驅動器可優化的控制策略，并以此軟件編程實施（圖1-70）。

 圖1-70  軸控制器液壓控制系統

3-）人工智能的功能轉換與簡易故障診斷灰箱方法

在液壓智能元件中性能與功能的轉換以及自主診斷中需要AI（人工智能）的幫助。

液壓產品故障診斷與健康管理一直是液壓技術最薄弱的環節之一。目前的故障診斷主要是針對裝置硬件本身，這些硬件產生了機械性故障或破壞，比較容易診斷，也容易記錄與報警。但是對于裝置本身性能與功能的退化，故障診斷就比較困難，這種過程的監控難度很大。

傳統上來看性能性故障預測一般采用基于模型、基于知識、基于數據的預測技術，都有比較成功的實用范例。對于液壓系統如何以有限的傳感器對系統的狀況進行判斷一直是一個困惑。其次是如何分析診斷，一般來說是將液壓系統作為“黑箱”進行處理，牽涉的理論、算法以及經濟性方面難度都大。

為了解決這個問題，在此提出故障診斷的“灰箱方法”。因為對于液壓元件與系統一般都是“白箱”系統，也就是說液壓系統或元件的數學模型及其所有的系數是可以已知，或者說通過出廠試驗的辦法采集更多的一些性能參數，也可以獲得這些需要的系數而成為“白箱”。從許氏建模理論來看，可以將此“白箱”的數學模型逆求解，來獲得這些系數的“退化”過程，這就是故障診斷。

當然這里具有數學模型方程逆運算會產生靜不定的問題。為了解決對液壓系統逆運算的問題，首先使故障診斷從理論上分析化簡，處理好數據采集時的噪聲與數據失真問題，問題也大大簡化。如果再加入智能性的辨識，使液壓系統與元件的故障診斷的實現更加容易。同時由于這種辦法是原系統數學模型的逆運算，因此我們可以知道系統某些參數在運行后的變化，利用“大數據”更有針對性，比較容易進行辨識（圖1-71），這就是“灰箱”辨識的處理辦法，簡化了液壓系統與元件解決故障診斷的難度。

圖1-71 智能參數法故障診斷

目前已經發展到“人工智能2.0”，人工智能也發展到大數據、跨媒體、群體智能與人機系統。基于互聯網與移動網的普及、傳感網的滲透、大數據的涌現等將有助于這個問題的解決。這個智能系統（模塊）可以自學習，可以是機器學習、深度學習等以糾錯方式開始而后可以達到要求。今后在大數據智能與自主智能系統方面，形成從數據到知識、從知識到智能的能力，使得液壓故障診斷具有液壓本身的特色簡易辦法。

4）物聯網與芯片

液壓智能元件的產生歸功于計算機特別是芯片技術的進步，另一個是網絡技術的發展。我們熟知的摩爾定律將我們帶入了7μ芯片的水平，芯片是我們思考要素的硬件基礎；網絡技術已經在談量子通訊與量子計算機，其速率是今天4G甚至5G都無法比擬的（圖1-47）。目前計算機的運算的速度是人腦的1000萬倍（人腦神經元運算速度是200Hz,計算機是2GHz；傳遞速度是120m/s,計算機可達到光速），因此人工智能在非情感方面可以超過人的智能。今天世界已經開始了量子計算機與量子通訊的的研發與市場應用，我們液壓技術的發展是與其他工業技術發展一起要與這些新的技術應用融合的（圖1-48）。

5G物聯網將加速工業4.0的發展，2020年5G將進入商業化階段（圖1-47）將大大加速液壓數字互聯智能的進程。這將使我們意識到液壓智能時代與傳統情況不一樣的是，液壓智能元件的應用存在必須在物聯網的客觀環境下與軟件語言的采用。

圖1-47 5G網絡將替代4G

圖1-48 量子計算機的進展     

5）工程軟件

液壓元件智能化中，電控與控制軟件是智能化的核心，極大地貢獻了對產品的價值。對于智能元件的開發目前可以利用已有的成熟軟件例如Matlab等加上工廠的實時開發系統，利用軟件提供的精確的控制算法等全套功能，保證各單元協調優化與匹配。當今工程軟件已經能夠滿足基本要求，如MATLAB/Simulink、FLUENT、AMESim、LabVIEW、ADAMS等等。

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