1.1.2　气动比例系统的国内外发展状况

气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统、从单纯的机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。

近年来，气动技术的应用已从机械、冶金、采矿等领域扩展到轻工、食品以及军事等工业领域。它在实现生产过程的自动控制、改善劳动条件、降低生产成本、提高产品质量等方面发挥了很大的作用。20世纪90年代末，气动技术突破了传统的死区，在与计算机、电气、传感器、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念（气动比例/伺服系统、智能阀岛、模块化机械手）。总之，气动技术与微电子技术结合后，在计算机或微处理机的控制下，它的应用领域得到进一步拓宽。

随着气动比例技术的发展，气动比例技术已经越来越广泛地被应用在机器人的控制领域中。目前机器人无论在数量上还是在智能化方面都取得了很大的发展。在应用方面已经从传统的应用领域向外扩展，航空、航天工业、电子工业和汽车工业将会成为机器人的主要应用领域，并且正在推向生活服务和军事工业等更广阔的领域。著名的有具有32个气动执行器的Utah/MIT气动机械手、从仿生学角度进行研究的FESTO公司的六足步行气动机器人、TRON-X气动机器人等。由于机器人或机械手都需要能快速、准确地搬运重物，因而它们必须具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位等基本要求。但是，在一般的工业应用中，由于工作压力比较低，气动比例系统具有明显的固有频率低、阻尼小、严重非线性和刚度差的弱点，用传统的控制方法和模拟调节器已经很难达到理想的控制效果，因而气动比例系统的研究及发展也受到了很大的限制。

近年来，新的气动元件的不断出现，使得气动技术的应用更加广泛，其工作形式由原来的单纯能量传递演变为现在的高响应高精度的开环控制或半闭环、闭环控制，专家们开始重视开发气动比例/伺服技术并将其应用于民用工业。现在的气动比例技术已经成功地应用于机械手定位机构、气控的液压泵变量系统、食品机械、包装机械、柔性抓取机构以及机器人控制等。

图1-1所示为典型的气动比例/伺服控制系统。其特点是根据输入信号，通过位移传感器将位移信号反馈至电子控制器，经过计算，将电压或电流信号输出至气动比例/伺服阀。这是典型的闭环控制系统，具有较高的控制精度和动态特性。因此简单来讲，气动比例系统实际上就是通过电/气转换元件将基于微电子学的能量和基于空气压力的机械能相结合的机电一体化系统。

图1-1　典型的气动比例/伺服控制系统

世界上各工业发达国家对气动比例/伺服控制技术的理论研究已经有相当长的时间。1979年，德国W.Back教授研制出第一个气动伺服阀，大大推动了气动伺服技术的发展。此后，德国、日本、美国等工业发达国家投入大量资金和人力，成功地研制出各种规格的电-气比例阀和电-气伺服阀以及高性能的气缸、气马达。Pascal对气压压力伺服系统进行了研究，并得到了满意的结果。Lee等对电-气控制系统的建模进行了研究。McDonell等对气压驱动系统在单自由度机器人中的轨迹跟踪控制进行了研究。Ryu等对多自由度机械手进行了非线性摩擦力补偿控制。Kawashima等人对气压伺服阀的死区特性和气缸的摩擦特性等非线性问题，采用PDD²预测控制的复合控制方法，获得了较好的效果。Wang等利用Festo公司由比例方向阀组成的系统进行研究，由于负载轻，达到了较高的速度，位置精度为±0.25mm。目前的研究已经涉及位置伺服控制系统、力或压力伺服控制系统、位置和力的闭环控制、以及速度伺服控制系统，德国Festo、日本SMC和小金井气动公司已经开发研制出气动位置伺服控制系统。这些控制系统为气压伺服控制技术的推广奠定了坚实的基础。

我国由于气动技术发展比较晚，对于气动比例/伺服技术的研究要落后于其它发达工业国家。周洪博士针对电-气比例/伺服位置控制系统的特点，设计了鲁棒控制器，并对此进行了仿真和实验研究。许宏光博士采用滑模变结构控制器策略，对VER系列2000压力比例阀的气动位置伺服系统进行了控制。段运波等采用压力调节方式对气动脉宽调制位置伺服系统进行控制，消除了气缸活塞定位时的振荡现象，取得了较好的实验效果。

但是从目前来讲，我国的气动技术与国外相比还存在很大的差距，特别是在多自由度气动比例/伺服定位技术研究方面。因此，必须跟踪国外的先进技术，提高我国的气动技术水平，缩短与发达国家的差距。将研究重点转移到提高气动比例/伺服系统的控制性能以及开发研制高性能低成本的电-气转换元件等方面上来。