第1章　电液伺服控制技术基础

1.1　电液伺服控制技术概论

液压伺服控制技术是自动控制技术的一个重要的分支，是典型的机电液一体化技术，是多学科交叉融合发展的范例。

液压伺服控制技术是现代控制工程的基本技术要素。它涉及了机械设计制造技术、液压传动及控制技术、微电子技术、检测传感技术、计算机控制技术及自动控制技术及理论，是衡量一个国家工业制造能力和现代工业发展水平的重要标志之一。

目前，电液伺服技术在装备制造业、汽车工业、工程机械、舰船、航天航空、水电核能、兵器工业、冶金石化工业、医疗器械、运动模拟器、仿生机器人、材料或零部件试验机和振动试验台等多个领域获得越来越广泛的应用。

在液压传动及控制系统中，机械-液压控制系统、电气-液压控制系统和气动-液压控制系统都很常见。电液控制系统是电气-液压控制系统的简称，其中以电液伺服阀作为电液控制元件的称为阀控电液伺服控制系统，以电液伺服变量泵作为液压动力元件的称为泵控电液伺服控制系统，其两者统称为液压伺服控制系统。

但是，不能将电液伺服系统简称为伺服系统。因为凡是输出能以一定精度自动、快速、准确地复现输入变化规律的自动控制系统都可称为伺服系统，其中就包括电气伺服系统。而只有采用液压控制元件（或液压动力元件）和液压执行元件的伺服系统才可称为液压伺服系统。

从广义而言，凡是系统的被控参量（输出）能随输入信号或指令的变化而连续地、成比例地得到控制的系统，都可以称为比例控制系统。因此，电液伺服控制系统也应属于电液比例控制系统的范畴，但通常将含有电液比例控制元件或电液比例变量泵的系统称为电液比例控制系统，将含有电液伺服控制元件或电液伺服变量泵的系统称为电液伺服控制系统。

一种惯常说法是，以电液伺服控制技术、电液比例控制技术和电液数字控制技术构成了现代液压控制技术的完整体系，其正朝着高压化、集成化、轻量化、数字化、智能化、机电液一体化、高精度、高可靠性、节能降耗和绿色环保的方向持续发展。但电液伺服控制技术在超大型化和超重型化的传统优势方面将进一步发展。

1.1.1　电液伺服控制系统的分类与组成

电液伺服控制系统（即电气-液压伺服控制系统）是自动控制系统之一，如省略“电液”两字，只讲伺服控制系统，则可能是指电气伺服控制系统。“电液”两字还用于区别“机液”和“气液”，因为还有机液伺服控制系统（即机械-液压伺服控制系统）和气液伺服控制系统（即气动-液压伺服控制系统）。

自动控制系统是无须人干预其运行的控制系统，它分成主控系统和被控系统。

1.1.1.1　电液伺服控制系统的分类

电液伺服系统或电液伺服控制系统可以按选定的属性（或概念）进行分类，将具有某种共同属性（或特征）液压系统集合在一起，而其每一种分类都代表液压系统一定的特点（征）。

（1）按系统输入信号的变化规律分类

根据参考文献［46］：“液压伺服控制系统按输入信号的变化规律不同可分为：定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统。对定值控制系统，基本任务是提高系统的抗干扰性，将系统的实际输出量保持在希望值上。当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。对伺服系统来说，能否获得快速响应往往是它的主要矛盾。”这段话，作者认为其涉及如下一些问题。

①经各标准定义的定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统是否与上文相符。

②液压伺服控制系统与伺服控制系统是否有区别，且前者能否包括后者。

③液压伺服控制系统能否简称为伺服控制系统，甚至伺服系统。

④伺服系统或伺服控制系统或液压伺服控制系统的输入信号是否是时间的未知函数。

⑤将系统的实际输出量保持在希望值上，不但涉及是量还是值的问题，而且还涉及其是否只是定值控制系统的基本任务问题。

“定值控制”和“随动控制”这两个术语在GB/T 17212—1998《工业过程测量和控制术语和定义》中都有定义。经比对，上文内容还是与此标准中的定义有一些出入，具体请见第1.3.1节及相关标准。但在上述标准中未见“程序控制”或“程序控制系统”。

在GB/T 2900.56—2008《电工术语控制技术》中定义的“程序控制”是由预先输入程序决定功能的控制。

程序控制系统的输入量不是常值，但其变化规律是预先知道的和确定的。可以预先将输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的作用，使控制对象按控制指令的要求而运动。

研究“程序控制”这一定义的意义很重要，其直接关系到控制及控制系统的一些根本性问题，如输入控制信号的性质、控制系统的分类、控制器及全系统的技术要求等问题。

究竟伺服系统输入信号是“时间的未知函数”，还是“时间的函数”、“输入量的变化规律是不能预先确定的”或“时变函数”，在本书所列参考文献中说法不一，且存在同一位作者在不同著作中或有相反的说法。如参考文献［29］“按输入信号的不同，液压控制系统可分为伺服控制系统和定值调节系统。其中伺服控制系统的输入信号是时间的函数，系统的输出以一定的控制精度跟随输入信号变化的控制系统”和参考文献［35］“随动系统在工业部门又称伺服系统。这种系统的输入量的变化规律是不能预先确定的。当输入量发生变化时，则要求输出量迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确地复现控制信号的变化规律（此即伺服的含义）。控制指令可以由操作者根据需要随时发出，也可以由目标物或相应的测量装置发出”。

作者认为：伺服控制系统的输入（控制）信号既可以是“时间的未知函数”，亦可是“时间的函数”，前者是伺服控制的原意，而后者是现在常用伺服控制系统的输入（控制）信号的主要型式，亦即现在常用伺服控制系统采用的是程序控制。

上述作者提出的其他问题，因在本书其他地方已有论述，此处不再赘述。

（2）按采用的液压控制元件分类

在液压传动系统或液压传动及控制系统中，如其含有电液伺服阀或/和电液伺服变量泵这些典型元件，则可将其称为电液伺服系统或电液伺服控制系统。

按所采用的液压控制元件不同，电液伺服控制系统可分为阀控电液伺服控制系统和泵控电液伺服控制系统。进一步根据采用的液压执行元件的不同，还可分为阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸和泵控液压马达电液伺服控制系统。但是实践中却有电液伺服变量泵和电液伺服阀这种组合的电液伺服控制系统，因此只能讲阀控电液伺服控制系统一般是节流控制，泵控电液伺服控制系统一般是容积控制。

伺服阀是一种连续控制阀，而连续控制阀是响应连续的输入信号以连续方式控制系统能量流的阀，其包括所有类型的伺服阀和比例控制阀。

电调制液压控制阀主要包括电调制液压（方向）流量控制阀和电调制压力控制阀两大类。因目前普通工业领域较少采用电调制压力控制阀，所以，如不加特别说明，在本书中电液伺服阀均指电调制液压（方向）流量控制阀或电调制液压流量控制阀。

电调制液压流量控制阀是随连续不断变化的电输入信号而提供成比例的流量控制的液压阀。

液压变量泵（马达）的变量型式多种多样，按照操纵方式不同，有手动、机动、电动、液动、气动、比例、伺服及它们的组合等；按变量控制方式可分为压力控制、流量控制、功率控制、负载（荷）敏感（传感）控制、功率限制控制、转矩限制控制及它们的组合；还可分为开环控制和闭环控制，其中闭环控制又有恒压、恒流、恒功率和负载敏感的适应性控制等。

电液伺服变量泵只是液压变量泵中的一种，且本身应是闭环控制，其变量机构亦是一种电液伺服控制系统。

在大部分参考文献中都将液压控制元件与液压执行元件的组合称为“液压动力元件”，但此术语在GB/T 17446—2012《流体传动系统及元件　词汇》中没有定义，所以本书也没有采用。

注：参考文献［77］指出：“液压动力机构”的概念是由李洪人先生在1976年科学出版社出版的《液压控制系统》一书中提出的。

（3）按控制信号类型分类

按控制系统中控制信号类型来分，电液伺服控制系统可分模拟信号、离散（数字）信号和混合信号三种。

因在实际中很难见到纯数字控制系统，作者倾向于将混合信号控制系统归类到离散（数字）信号控制系统，在其他参考文献中也有如此分类。

因此，如在系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统即可称为离散（数字）控制系统，亦即分为电液数字伺服控制系统。在离散控制系统中，数字测量、放大、比较、给定等一般均由微处理机实现。计算机的输出经D/A转换加给电液伺服阀放大器，然后再去驱动液压执行元件；或由（数字）计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式液压执行元件。

在系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续控制系统，亦即可分为电液模拟伺服控制系统。连续控制系统又有线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线性系统，不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。

在连续控制系统中，其所传递的控制信号、反馈信号、偏差信号等都是连续时间的函数。而在离散控制系统中，上述这些信号都是以数字的型式给出的，这些信号都是离散的时间函数。

因连续控制系统和离散控制系统的信号型式有较大差别，所以在系统分析方法上也有明显不同。连续控制系统用微分方程来描述系统的运行状态，并用拉氏变换法求解微分方程；而离散控制系统则用差分方程来描述系统的运行状态，用Z变换法引出脉冲传递函数来研究系统的动态特性。

（4）按被控物理量分类

按被控物理量的不同，电液伺服控制系统可分为位置（或转角）控制电液伺服控制系统、速度（或转速）控制电液伺服控制系统、力（或力矩）控制系统、压力控制系统和其他物理量［温度、加速度（或角加速度）等］控制系统等。

在被控对象是机械平动（直线）运动时，位置控制电液伺服控制系统的被控物理量还可为位移。

在被控对象是机械转动（旋转）运动时，转角控制电液伺服控制系统的被控物理量还可（表述）为角位置或角位移。

（5）按系统的控制方式分类

按控制方式来分，电液伺服控制系统可分为开环控制和闭环控制两种。开环控制是输出变量不持久影响其本身具有的控制作用的控制；闭环控制或反馈控制是使控制作用持久地取决于被控变量测量结果的控制。开环控制系统结构简单、操作方便、一般不存在稳定性问题，但系统的控制精度易受内、外部干扰的影响，因此常用于对于控制精度要求一般的场合。闭环控制系统不仅能使被控（输出）变量随参比变量的变化而变化，而且还能将输出变量反馈到输入端，用以与输入变量进行比较，再将比较后的偏差信号经过功率放大，推动执行元（部）件，从而实现了以偏差来消除误差，或将误差控制在所要求的精度范围内。闭环控制系统因此具有一定的抗干扰能力，但却存在一个稳定性问题，控制调节也比较复杂，所以一般用于精度要求较高的重要场合。

从原理上讲，开环控制和闭环控制均可以用于电液伺服控制系统，但就目前大多数情况而言，开环控制主要用于比例控制，闭环控制主要用于伺服控制。因此，一些参考文献包括手册指出：电液伺服控制系统是闭环控制系统。

随着闭环比例阀和伺服比例阀的出现，电液比例控制系统中采用闭环控制的也在增加，这是比例控制技术和伺服控制技术相互融合、发展的结果。实际上，现在的伺服控制与比例控制已越来越难以区分。

1.1.1.2　电液伺服控制系统的组成

图1-1所示为典型的液压伺服控制系统组成方块图，亦即工作原理方块图。

液压伺服控制系统通常由指令装置（元件）、比较元件、电液伺服阀放大器（电气放大器或控制放大器——电气放大元件或装置或器件）、液压动力源、电气-机械转换器、液压放大器（液压前置级放大器、输出级液压放大器——液压主控制阀）、液压执行元件、测量反馈传感器和/或校正元件及负载组成。下面简要介绍各组成元器件作用。

①指令元件　主要用于产生给定信号或输入信号（统称为指令信号），并将此指令信号施加给系统输入端的元件，所以也可将指令元件或装置称为给定元件、输入元件或装置。通常采用的指令元件或装置有指令电位器（计）、信号发生器、程序控制器、（数字）计算机等。

②比较元件　用于接收输入信号与反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号，并将此偏差信号施加给系统输入端的元件。如差运算电路、计算机软件的差运算等。

③测量反馈元件　用于检测被控制量并将其转换成反馈信号，施加在比较元件上与输入信号相比较，从而构成反馈控制。如位移、速度、力（压力或拉力）等各类传感器等。

④电气放大元件　用于增大偏差（对电液伺服阀而言，即为其输入信号）信号的振幅和功率，其输出信号一般直接施加给电液伺服阀的电气-机械转换装置，如电液伺服阀放大器等。

⑤液压动力源　为液压放大器提供具有一定压力和（足够）流量的液压油液。

⑥液压放大元件　亦即液压放大器、电液伺服阀，是起放大器作用的液压元件。常见的喷嘴挡板（式）双（二、两）级电液伺服阀，其液压前置级放大器是由永磁动铁式力矩马达和喷嘴挡板组成的喷嘴挡板阀，输出级液压放大器（液压主控制阀）为四通滑阀。

⑦液压执行元件　产生可调节动作，施加于控制对象（负载）上，实现调节任务，如液压缸和液压马达等。

⑧控制对象　被控制的元件或其组成（部件、组件、装置或装备等实体单元），亦即负载。

⑨校正元件　校正元件又称校正装置。串联在系统前向通路上的称为串联校正装置，并接在反馈回路上的称为并联校正装置。

作者注：关于校正装置更加具体的描述请见第1.2.7节控制系统的校正。

1.1.2　电液伺服阀控制液压缸系统的工作原理及特点

1.1.2.1　电液伺服阀控制液压缸系统的工作原理

图1-2所示为电液伺服阀控制液压缸系统的数控加工中心工作台液压原理。

该电液伺服阀控制液压缸系统由液压动力源、电液伺服阀、电液伺服阀控制（的）液压缸、工作台以及测量液压缸（或工作台）位置（和/或速度）的位置（和/或速度）传感器、指令元件、比较元件、电液伺服阀放大器等组成。

当操作者通过指令元件给出指令信号ui时，指令信号ui与反馈信号uf同时输入比较元件并进行比较后，产生偏差信号Δu输出，通过电液伺服阀放大器产生电流信号i控制电液伺服阀。控制信号i的极性和大小可控制电液伺服阀阀芯的换向和阀口开度，因此可控制电液伺服阀输出液压油液的液流方向和大小（流量及液压能、液压功率），进而使电液伺服阀控制的液压缸将液压能转换成直线机械功，通过工作台（往复）运动输出。

电液伺服阀阀芯换向由控制信号i的正负极性决定，进而控制液压缸及工作台往复运动。电液伺服阀阀口开度与控制信号i以及偏差信号Δu的大小成比例，当液压缸及工作台趋近并达到操作者设定的位置时，指令信号ui与反馈信号uf比较后的偏差信号Δu趋近于零并等于零，此时电液伺服阀停止输出液压油液，液压缸及工作台停止于期望位置上。

如果电液伺服阀控制液压缸系统受到外部干扰（图1-2中扰动信号未示出），液压缸及工作台没能停止在期望位置上，则位置偏差信号Δu不为零；电液伺服阀仍有输出液压油液，液压缸及工作台始终向期望位置趋近，直至达到期望位置，亦即位置偏差信号Δu为零，液压缸及工作台最终停止于期望位置上。

该系统只要液压缸及工作台位置的实际值与期望值之间存在误差值，则指令信号与反馈信号比较后的偏差信号即对其实施控制，亦即以偏差来消除误差，这就是反馈（闭环）控制的工作原理。

需要说明的是图1-2所示反馈（闭环）控制系统将用于检测位置的位置传感器安装在液压缸上，当然也可安装在工作台（负载）上，同样可以检测位置并将信号反馈到比较元件上。一般比较元件和控制元件一起集成在控制器中，图1-2所示只是为了说明反馈（闭环）控制的工作原理。另外，通过电液伺服阀输出的液压油液（或液压能）全部来源于液压动力源，应正确理解“液压放大器”这一概念。还有，指令元件给出的指令信号可以只包含指定某一位置的信息，也可以既包含指定某一位置信息，也包含到达该位置过程中所期望的运动速度信息，但如果没有对液压缸及工作台的运动速度进行检测并将此信号反馈到比较元件上，则对此运动速度的控制只能是开环控制，亦即上述系统仅是电液伺服阀位置控制系统。

作者注：还可参考本书所列参考文献［65］第74页第2.2.13节伺服动力滑台液压控制系统，但其电气和液压回路图及叙述中有多处值得商榷。

参考文献［65］在“伺服动力滑台液压控制系统技术特点推广”中指出：

“①组合机床液压动力滑台采用阀控伺服缸控制，能够实现低速运动时高精度定位（可达0.99mm）。

②电液伺服阀系统采用“定量泵+蓄能器+电磁溢流阀”恒压能源。可保证液压泵有一定的卸载时间，供油压力在一定的范围内变动。结构简单、能量损失少、效率高。

③采用蓄能器形成的动压反馈装置，增大了闭环控制系统的阻尼比，提高了系统的相对稳定性。

④滑台的线性滑轨具有承受大负载、低摩擦的能力；液压缸密封圈材料采用四氟乙烯复合材料（PTFE），改变了缸的摩擦特性。

⑤该电液伺服控制系统可解决精密组合机床的高精度要求，并可供数控机床的滑台借鉴。”

1.1.2.2　电液伺服阀控制液压缸系统的特点

（1）电液伺服阀控制液压缸系统的优点

从工作原理上讲，电液伺服阀控制液压缸系统有如下优点。

①液压元件具有单位功率的质量小，力-质量比大的优点，因此电液伺服阀控制液压缸系统可以传递及控制的功率密度较大。在相同工况下，可以组成结构更加紧凑，体积、质量、惯性更小，加速性更好的传动及控制系统。其对于中、大功率的传动及控制系统而言，这一优点尤为突出。

作者注：有资料介绍，优质的电磁铁能产生的最大推力大致为175N/cm2，使用昂贵的坡莫合金制造的电磁铁所产生的力也不超过215.7N/cm2，而液压缸的最大工作压力可达3200N/cm2，甚至更高。

②响应速度快，动态特性优异。由于液压元件的力-质量比大，因此电液伺服阀控制液压缸系统加速能力强，能够安全、可靠地带动负载启动、制动与换向。液压弹簧刚度大，其与惯性负载构成的液压系统的固有频率高，使液压系统的频带宽、响应快，非常适用于对动态特性要求较高的场合。

③负载刚度大、控制精度高。由于电液伺服阀控制液压缸系统的输出位移受负载变化影响小，即具有较大的速度-负载刚度；液压系统所使用的工作介质——液压油的体积弹性模量大，压缩性和泄漏量很小，因此液压系统的静态刚度很大，组成的闭环控制系统也可以提供更大的动态刚度，控制精度高，定位准确，不易受外界扰动。

④易于实现直线运动和变速运动，适合重载直接驱动。电液伺服阀控制液压缸系统很容易实现负载的直线运动和变速运动，而且结构简单，调速范围宽，传动效率高。在相同工况下，液压执行元件更适合直接驱动负载。

⑤电液伺服阀控制液压缸系统润滑性好，利于散热和延长使用寿命；利用液压蓄能器易于实现能量存储及压力消振。

⑥电液伺服阀控制液压缸系统易于设置压力过载保护装置，如设置一个或多个起安全作用的溢流阀（卸压阀）。

（2）电液伺服阀控制液压缸系统的缺点

总体而言，电液伺服阀控制液压缸系统技术较为复杂、制造成本较高，其缺点主要表现在以下几个方面。

①能源供给不方便、噪声较大、效率不高。具有压力的液压油液不宜长距离传输，所以一般需要为电液伺服阀控制液压缸系统配备专用的液压动力源。因此液压能源的获得不像电能那样方便，储存也不像（压缩）空气那样容易，且将液压动力源的噪声控制在一个较低水平仍存在一定困难。

对于电液伺服阀控制液压缸系统这种阀控式（节流式）控制系统而言，其与泵控式（容积式）控制系统或一些其他型式的控制系统比较，能量的转换效率不高。

②对工作介质的清洁度要求高。电液伺服阀对工作介质的清洁度要求高，对工作介质的污染较为敏感。因此要求系统在设计、制造、使用和维护等各个环境必须保证系统及元件的清洁度指标。

污染的液压油液会使电液伺服阀磨损加剧并降低其性能，甚至会使其堵塞而不能正常工作，这也是电液伺服阀控制液压缸系统发生故障的主要原因。

③工作稳定性易受温度影响。环境温度及工作介质温度变化会导致工作介质黏度变化，工作介质黏度变化对液压系统的（动态）性能影响很大。

在电液伺服阀控制液压缸系统中，液压油液的流体体积弹性模量会随温度高低（黏度大小）和空气的混入（量）多少而发生变化，其直接影响控制系统的稳定性。

④系统分析、设计较为复杂。在电液伺服阀控制液压缸系统中存在着各类非线性和建模不确定性，因此，系统的分析与设计比较复杂。同时，液压信号（压力、流量等）的传输、检测和处理不及电气信号便利。

参考文献［72］指出：“（因为）系统的分析、设计、调整和维护需要高技术，（所以需要）请专业厂或公司设计、制造和安装调试，（同时还需要）加强维护，使用人员的技术培训。”正因为如此，掌握这门技术的专业公司以及工程技术人员才可能在一定时期内有工作可做。

⑤制造精度高，经济性较差。至今电液伺服阀尤其是高品质的电液伺服阀的制造精度高仍然是业内共识，其中的若干项关键技术依然不被大多数液压工作者所熟知和掌握。高精度直接导致了高成本，因此使得构建电液伺服阀控制液压缸系统的投入较大，经济性较差。

⑥存在环境污染风险。同其他液压系统一样，如果系统及元件设计、制造、使用和维护不当，则容易造成液压油液外泄漏，污染工作环境。现在报废的液压油液处理也是一个问题，存在着进一步环境污染的风险。

1.1.3　电液伺服控制技术的发展趋势与关键技术

21世纪是一个信息化、网络化、知识化和全球化的时代。参考文献［60］指出：“液压控制技术的发展方向可以概括为集成化、数字化、微型化、超大型化和超重型化发展。”

电液伺服控制技术必将依托机械制造、材料工程、微电子、计算机、数学、力学及控制科学等方面的研究成果，进一步探索新理论、引入新技术，发挥自身优势、弥补现行不足，扬长避短，不断进取。新技术往往都率先在军用装备上，尤其在航空航天领域内应用。

1.1.3.1　电液伺服控制技术的发展趋势

（1）液压动力源智能化技术

参考文献［77］介绍：目前，飞机液压系统液压动力源中的主泵（EDP）和辅助泵（EMP）多采用恒压变量泵，其供给压力是根据负载的最大值设定的且为恒值。而飞机在整个飞行过程中，经常会经历中断、起飞、起飞爬升、复飞等大流量飞行工作剖面，也有起飞滑跑、巡航、下降等小流量工作需求，并且小流量飞行工作剖面占据飞机完整飞行剖面的90%以上。“由于恒压变量泵只能输出一种压力，飞机液压系统大部分时间处于输出压力过大的状态，存在大量的节流功率损失，导致系统出现发热量大，散热困难等问题”。

作者注：参考文献［77］中上述这段由引号标出的论述是有问题的，查其引用文献也没有此段文字。

智能液压动力源利用负载敏感性原理，反馈系统的工作压力，结合飞机的工作状态对液压动力源进行调节，根据负载工况调整液压动力源的工作状态，输出与负载匹配的工作压力，亦即智能液压动力源可以与负载实现最佳匹配。

总的来说，从原理上智能液压动力源能够完成流量调节、压力控制、功率匹配和负载敏感的（四种）工作方式，还具有故障工作模式和状态检测功能。但是，根据参考文献［77］的介绍，由于其响应慢，“因而目前压力流量匹配性好的飞机智能泵源还没有在飞机上很好地应用”。

（2）电液伺服控制系统高压化技术

研究表明，高压化是减轻液压系统重量和缩小其体积的最有效途径。进入21世纪，A380、B787实现了5000psi（每平方英寸受到多少磅的压力，1MPa≈145psi）成功应用，其中A380采用了5000psi后，实现了减重1.4t，并提高了飞控系统的响应速度。

目前国外已经成功地解决了5000psi，甚至8000psi的高压化技术，而我国还没有完全掌握飞机液压系统的高压化技术。这是因为飞机高压化涉及很多问题，首先需要解决元件及配管的强度和密封问题，保证液压系统具有高的可靠性。

（3）电液伺服控制系统模块化设计技术

据参考资料介绍，Parker公司在为B787配置液压系统时，提出了一种模块化设计技术，即将飞机上的某液压系统中的60个液压元件，包括辅助泵（EMP）、过滤器、配管等预先安装在一个特定的安装支架上，完成功能测试和可靠性测试后，将该模块化部分安装在B787飞机上。

该种模块化技术可以大大提高生产效率，减少飞机液压系统安装带来的安全隐患。但在应用该项技术时，必须预先考虑各液压元件在飞机上的空间布局，以不能影响其他系统为前提。

（4）包容性液压技术

包容性液压技术（也称多电液压技术）是指含有部分电气系统的液压系统。而多电是指由液压提供动力的部分改为由电气系统部分或全部代替。

A380和B787飞机都采用了全新的多电技术，设计有混合动力系统，其中B787采用机电作动器（EMA）技术来控制部分飞行控制舵面，采用电刹车技术代替液压刹车等。

目前，F35、A380、B787等均成功应用了多电执行器，如电动静液作动器（EHA）、机电作动器（EMA）、电备份液压作动器（EBHA）等新型电动作动器，以及新型电气系统（270V DC），因此提高飞机的可靠性、效率、执行力、扩展性和环保性。

虽然多电驱动器暂时还不能代替传统液压去驱动大功率飞机舵面，但是随着多电发动机、电动机等关键技术的不断提高，多电和全电飞机会进入快速发展阶段。

1.1.3.2　电液伺服控制的关键技术

（1）高可靠性技术

电液伺服控制系统的可靠度是由高质量的零部件与余度设计来保证的，也就是说，提高电液伺服控制系统的可靠性主要是通过提升电液伺服控制系统余度配置，应用可靠性元件来实现的。

①电液伺服控制系统组成元件高可靠性设计。以民用飞机为例，目前，因国内液压元件设计水平落后，加工精度低，国内飞机液压产品的可靠性远低于国外产品，民用飞机上的液压元件主要采用国外公司产品，如EDP、EMP等重要的液压泵以及配管、密封件等。

②电液伺服控制系统及其元件多余度设计。对构成液压系统的主要元件泵、缸、阀而言，泵和缸多余度设计进展不大。

据《中国航天报》2014年1月26日报道：“近日，中国航天科技集团公司一院18所‘大流量四余度三级电液伺服阀’原理样机研制成功，标志着该所在伺服阀余度控制领域有了重大突破，已初步掌握‘故障隔离式四余度伺服阀技术’。‘四余度电液伺服阀’与目前应用的‘三余度伺服阀’不同，能有效防止各路前置级的相互影响，真正做到故障隔离，可大大提高产品的可靠性。”

以现在飞机液压系统余度设计（配置）为例，A380液压系统不仅有绿（A）、黄（B）两套液压系统，而且还包括两套蓝（备用）系统。绿、黄两套液压系统+两套以电为动力的分布式电作动器（作为备用作动器），两者共同构成了混合作动系统（2H/2E模式）。

有参考资料介绍，“飞机的作动器的硬件冗余指的是作动器依靠多套元件来实现余度设计”，因此作者认为其属于飞机作动系统冗余，而非元件冗余。

（2）抑制压力脉动与减小压力冲击技术

压力脉动通常被认为是液压系统振动和噪声的主要来源。一般而言，液压泵的瞬时流量总是脉动的，由于液阻的存在，流量脉动必然导致压力脉动，而且压力脉动的基频与流量脉动的基频相同。当管路中压力波不发生干涉时，由流量脉动引起的压力脉动的幅值一般不大。但是，一旦发生干涉形成驻波，则压力脉动的振幅将显著增大，从而发生管路的谐振，噪声也随之增大。

以飞机液压系统为例，其液压动力源一般均采用柱塞泵，泵出口瞬时流量呈周期性变化，为了降低液压系统的压力脉动和管路振动、减小压力冲击，目前主要采取以下措施减振降噪。

a.优化柱塞泵设计，如采用11个柱塞的柱塞泵。

b.采用自增压油箱，控制（减少）工作介质中的混入空气量。

c.加装液压蓄能器，减小压力冲击。

d.泵出口接软管，以隔离泵壳体的振动。

e.固定液压元件及配管时采用隔振、减振措施。

f.合理布置液压元件及管路，调整系统阻抗，避免共振。

g.加装压力脉动衰减器。

作者注：压力脉动衰减器或称为在线减震消声器或消音器。

（3）控制工作介质温升技术

电液伺服控制系统及其工作介质温度过高或过低都会严重影响系统的性能及元件使用寿命，有效地控制电液伺服控制系统及其工作介质的温升是保证系统可靠性的前提。

电液伺服控制系统的功率损失的（绝）大部分都转化为了热能，一般包括液压动力源的容积损失、机械损失和/或溢流损失，液压阀阀口节流损失，配管沿程和/或局部损失等功率损失。除此以外，电液伺服控制系统及其工作介质还可能因受到外部热辐射而造成温升，如飞机发动机对其电液伺服控制系统的热辐射。

现在控制电液伺服控制系统及其工作介质温升的主要措施有以下几点。

①提高液压动力源效率。提高液压动力源效率，减小功率损失是电液伺服控制系统设计的重要内容。应用上述液压动力源智能化技术，可以无级调节供给压力和流量，即与负载实现最佳匹配，减少了无用功率的产生，降低系统发热。

采用双泵液压动力源是现在应用较多是一种降低温升措施，其可以通过双泵组合、切换来适应电液伺服控制系统对供给压力和流量的需要。虽然其不能实现完全无级地调节供给压力和流量以及与负载的最佳匹配，但对于减少无用功率，降低系统温升却是行之有效的。有参考文献介绍，双泵液压动力源即使采用了5000psi的工作压力，液压系统温升并不大。

②设置冷却器来增强散热能力。通过设置冷却器来增强电液伺服控制系统的散热能力，使电液伺服控制系统及其工作介质的温升被控制在一个较低的数值下，这是现在普遍采用的一种降低温升措施，尤其是固定式液压设备或装置。

③消除外部热源或将其与电液伺服控制系统远离、隔离，都可以有效地减小外部热辐射对电液伺服控制系统的影响。如可以采用黑度系数较小的材料或多层隔热板来阻挡飞机发动机对液压系统的热辐射，也可以将液压管路合理地布置在前机身和机翼部分，从而有效地降低热辐射的影响。

（4）非线性控制技术

实际的电液伺服控制系统在某种程度上、某种范围内均存在非线性特性，电液伺服控制系统的各物理量之间的关系并不是完全线性的。如果用数学模型描述这种系统，所得到的微分方程也不是线性的。但为了分析上的方便、数学上的简化，通常采用线性化理论进行线性化处理，用线性化方程近似逼近它。如果用这种数学上的简化所得到的解与实验的结果很相近，并在工程应用上得到认可，那么数学上的这种简化是合理的。

然而并不是所有的非线性电液伺服控制系统都可以通过线性化理论，用线性化方程来近似分析，并在工程上得到认可。在这种情况下，为获得满意的分析结果，需用非线性控制理论加以分析。

现在，据参考文献［78］两篇序言中的介绍，该书“独创了自适应积分鲁棒控制、主动摩擦补偿、非线性鲁棒输出反馈、自抗扰与反步控制一体化设计等非线性控制方法，形成了完整的电液伺服系统非线性控制理论……”。“该书系统地研究了影响电液伺服系统性能的各种因素，并针对具体问题给出了优良的解决方案，涵盖了电液伺服系统非线性控制技术最核心的问题，所呈现的研究成果不仅具有重要的理论价值，也具有巨大的工程实际意义，特别是在工程实践中的成功应用与实施，体现了我国在该领域的理论水平和技术实力”。

该理论“已经应用于高精度负载模拟器、高速运动转台等重大精密伺服装备中，引领了电液伺服控制专业的发展方向，部分研究成果具有国际上获得好评的首创性……”。

作者认为在参考文献［35］中给出的常见的典型非线性特性归纳仍具有重要参考价值，即“在非线性液压控制系统中，常见的典型非线性特性可归纳为以下几种：①饱和非线性特性；②死区非线性特性；③继电器非线性特性；④间隙非线性特性；⑤静摩擦、库仑摩擦及其他非线性摩擦；⑥非线性弹性元件；⑦流体的可压缩性等。”

需要说明的是，如上述参考文献所述：“有时为了改善控制系统的某个性能或简化系统某个控制结构而人为引入非线性控制元件参与系统性能的控制。例如在自适应控制系统中，为了提高系统控制的鲁棒性能，在自适应控制器的输出端与被控对象的输入端引进饱和非线性特性。”

1.1.4　电液伺服阀控制液压缸系统的建模与仿真

电液伺服阀控制液压缸系统的仿真分析集中体现在两个步骤上，即建模与仿真。

1.1.4.1　电液伺服阀控制液压缸系统的建模

为了对电液伺服阀控制液压缸系统进行性能分析，首先需要建立系统的数学模型。

建立数学模型，一般采用解析法或实验法。所谓解析法建模，即依据系统及元件各变量之间所遵循的物理学定律，理论推导出各变量间的数学关系式，从而建立数学模型。

用解析法列写系统或元件微分方程的一般步骤如下。

a.分析系统的工作原理和信号的传递变换过程，确定系统的各元件的输入、输出量。

b.从系统的输入端开始，按照信号传递变换过程，依据各变量所遵循的物理学定律，依次列写各元件、部件的动态微分方程。

c.消去中间变量，得到一个描述系统或元件输入、输出变量之间关系的微分方程。

d.写成标准化型式，即将与输入有关的项放在等式右侧，将与输出有关的项放在等式的左侧，且将各阶导数项按降幂排列。

值得注意的是，由于多种液压仿真软件可以直接求解用传递函数表示的系统方块图，因此方块图已经可以被看作一种可以运行的数学模型。

1.1.4.2　电液伺服阀控制液压缸系统的仿真

液压仿真技术作为液压传动及控制系统设计阶段的必要手段，随着流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日臻成熟，现在其已经越来越成为液压系统设计人员的有力工具。

目前，国内外主要的液压仿真软件有AMESim、Hopsan、ADAMS/Hydraulics、EASY5、Matlab/Simulink、SIMUL-ZD、DSHPlus、FluidSIM、automtion studio、20-sin、HyPneu等多种，其中以AMESim和Matlab/Simulink等仿真软件较为常用。

参考文献［29］指出：“数字计算机、控制理论的迅速发展，特别是MATLAB与SIMULINK仿真软件的推出，给液压控制系统的分析与设计带来了极大的方便。”

MATLAB是一个高级的数值分析、处理和计算的软件，其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。

MATLAB具有良好的可扩展性，其函数大多为ASCⅡ文件，可以直接进行编辑、修改；其工具箱可以任意增减，任何人都可以生成自己MATLAB工具箱。因此，很多研究成果被直接做成MATLAB工具箱发表。

SIMULINK是基于模型化图形的动态系统仿真软件，是MATLAB的一个工具箱，它不需要过多地了解数值问题，而是侧重于系统的建模、分析和设计。其良好的人机界面及周到的帮助功能使得它广为科技界和工程界所采用。

在参考文献［35］中，MATLAB与SIMULINK仿真软件有以下应用。

a.用MATLAB进行部分分式展开。

b.基于MATLAB与SIMULINK的时域特性分析。

c.基于MATLAB与SIMULINK的频域特性分析。

d.基于MATLAB与SIMULINK的控制系统设计与校正。

e.基于SIMULINK的离散系统时域特性分析。

f.基于MATLAB与SIMULINK的系统状态空间分析。

g.基于MATLAB的系统数学模型转换。

h.带钢卷取电液伺服控制系统稳定性校核、（瞬态）响应特性分析等。

AMESim是基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，该软件包含了IMAGINE技术，其为项目设计、系统分析、工程应用提供了强有力的工具。它能为设计人员提供便捷的开发平台，实现多学科交叉领域系统的建模，并能在此基础上设置参数进行仿真分析。

AMESim软件中的元件间都可以双向传递数据，并且变量都有物理意义。它用图形的方式来描述系统中各设备间的联系，能够反映元件间的负载效应和系统中的能量和功率流动情况。该元件中元件的一个接口可以传递多个变量，使得不同领域的模块可以连接在一起，这样大大简化了模型的规模。另外，该软件具有多种仿真模式，如稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真模式等。利用这些模式能实现稳态分析、动态分析和参数优化。

AMESim软件可以使物理系统模型直接转换成实时仿真模型；AMESim软件提供了17种优化算法，依照所建模型，可灵活地利用求解器挑选最适合模型求解的积分算法，为了缩短仿真时间和提高仿真精度，可在不同仿真时刻根据系统的特点动态切换积分算法和调整积分步长；AMESim软件为了获得与其他软件的兼容，提供了多种软件接口，如编程语言接口（C或Fortran）、控制软件接口（Matlab/Simulink和MatrixX）、实时仿真接口（RTLVab、xPC、dSPACE）、多维软件接口（Adam和Simpack、Virtual Lab Motion、3D Virtual）、优化软件接口（iSIGHT、OPTIMUS）、FEM软件接口（Flux2D）和数据处理接口（Excel）等。

在参考文献［70］中，AMESim仿真软件有以下应用。

a.滑阀的数字仿真。

b.喷嘴挡板阀的仿真。

c.四通阀控对称缸的动态特性仿真。

d.四通阀控非对称缸的动态特性仿真。

e.三通阀控非对称缸的动态特性仿真。

f.四通阀控马达的动态特性仿真。

g.变量泵控马达的仿真分析。

h.力矩马达的仿真分析。

i.力反馈式喷嘴挡板两级伺服阀（包括力矩马达、喷嘴挡板阀和滑阀3个组件）仿真分析。

j.三级伺服阀（包括前置级伺服阀、功率级滑阀、功率放大器和位移传感器4个组件）建模与仿真分析。

k.（不带校正）阀控缸式电液位置伺服系统的仿真分析。

l.带滞后校正阀控缸式电液位置伺服系统的仿真分析。

m.带速度和加速度反馈校正阀控缸式电液位置伺服系统的仿真分析。

n.带静压和动压反馈校正阀控缸式电液位置伺服系统的仿真分析等。

关于AMESim和Matlab/Simulink等仿真软件更为详细的操作，除可参考上述或其他文献外，还可参考这些软件的相关教程或帮助文档等。

国内的液压仿真软件如SIMUL-ZD等应用还不够广泛，作者希望我国液压技术领域专家、学者能大力加快具有自主知识产权的商品软件开发，使国产的液压仿真软件能在工程实际中得到越来越广泛的应用，并能解决仿真不真的问题。