杨世祥:数字液压与传统液压之辩
长期以来,国内学界对于数字液压有诸多误解,传统液压行业的一些专家视“数字液压”为“洪水猛兽”,那么究竟什么是数字液压,数字液压与传统液压有哪些区别?让我们来倾听,杨世祥教授以通俗易懂的比喻来解读数字液压与传统液压之辩。

时任中国工程院院长的周济院士听取数字液压两代发明人杨世祥与杨涛汇报
(1)传统伺服液压的发展困境
液压产生200年了,伺服液压是液压里边最高级的技术,所有的重型装备都需要它,中国大国重器里边的核心技术,都是一些伺服技术,并且几乎都是外国技术。
液压都是控制一只油缸的运动,控制它的速度和行程,怎么控制速度?要用一个阀门打开,流量过去,推动油缸前进,阀门开的速度、过去的流量是不知道的,就要装一个传感器,监测油缸的速度和位置。所以说传统的伺服液压,有几个组成:高精度的位置传感器、高频响的伺服阀、高水平的计算机控制器。如果油缸速度快了,计算机就要通过运算发布一个指令,把阀门关小一点,关小多少、合不合适不知道,然后又采样又检测,发现关多了,然后又开一点,这就需要复杂的算法。
传统伺服系统需要高精度的传感器、高水平的伺服阀,中国跟踪了几十年,都做不到国外的水平,高水平的计算机高速运算,各种调节理论变成复杂的现场调试,这一套系统就限制了传统伺服液压的大规模推广应用。这不光是中国的麻烦,也是全世界感到液压的麻烦。
(2)链条控制与旋转门的比喻:数字液压
什么叫做数字液压?简单举例,同时有5个人往前走,都是瞎子,要让他们同步,传统技术就是5个人要拉5个皮尺(即钢卷尺),总指挥就看着谁快了敲他一棒,谁慢了踢他一脚。至于到底应该走多快需要现场调试,不断扫描、不断的控制,这就是现在的伺服液压控制技术。
如果用数字技术怎么解决?在5个人脚上装上5个链条,每个链条都是等长的,那么总指挥就喊口号了,喊一走一步,喊二走一步,喊得快走得快,喊得慢走得慢,不喊就停了,这就是数字液压。
还可以举一个简单例子。去看展览或酒店,有旋转门,是控制流量和速度的,循着一个角度只能进一个人,下面它有计数器,如果控制旋转门的转速,假如转一圈进4个人。
传统液压就是人去控制闸门,一堆人挤在那,一开门就往里走,走了多少不知道,人在计数,进快了,就让门关一点,进慢了,又开一点,不断调整,有人在不断控制。
到数字液压过后,就彻底简化了,就控制转速脉冲,发一个脉冲,转一个角度,发一个就进一个人,因此脉冲的频率就是进人的速度,脉冲的总数就是人的数量。所以说液压进入数字化之后,高精度的同步控制、速度控制、位置控制,过去的难题变成了“1+1=2”的问题了。数字液压,相当于传统的数码相机跟柯达相机的区别。
亿美博科技创始人、数字液压发明人 杨世祥教授

杨世祥,年国务院政府特殊津贴获得者。对于液压传动及自动化控制有突出贡献。70年代发明的自调式分流集流阀至今保持国际领先水平,随后在80年代初从事数字液压传动控制的研究,先后发明了数字液压阀、数字液压缸等一系列先进的数字传动控制器件,为中国的液压技术发展做出了突出的贡献。国家科技部将数字液压缸列为"十五"科技攻关项目。
中国天眼

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST),位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州境内,是中国国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。500米口径球面射电望远镜于2011年3月25日动工兴建 [9];于2016年9月25日进行落成启动仪式,该科技基础设施进入试运行、试调试工作;于2020年1月11日通过中国国家验收工作,正式开放运行。500米口径球面射电望远镜开创了建造巨型望远镜的新模式,建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜,灵敏度达到世界第二大望远镜的2.5倍以上,大幅拓展人类的视野,用于探索宇宙起源和演化 。
反射面液压促动器在上位控制系统的控制下,通过液压促动器活塞杆的伸缩来实现精确定位、协同运动,通过调整下拉索下端的位置,从而间接同步调整索网节点位置,实时实现满足拟合精度的300米口径瞬时抛物面,实现天文观测的跟踪、换源等要求。
数字液压
所谓数字液压即:液压执行器件(缸、马达)的工作(运动)特性是标量化或称数字化的,它与电脉冲一一对应,电脉冲的频率对应油缸的运动速度(油马达角速度),电脉冲的数量对应油缸的运动行程(油马达角度),执行器件的精度几乎不受负载、油压甚至是泄漏等的外在因素影响而发生变化,这样的液压技术,我们称之为数字液压。


之所以被称为数字液压,其最大区别于伺服液压系统之处在于,数字液压器件的工作或称运动特性完全被标量化或称数字化,即:电脉冲的频率与数字液压作动器的运动速度对应,电脉冲的数量与数字液压作动器的行程或转角对应,而这种对应关系是通过其内部的设计、制造过程确定好的,无需任何外部的诸如:传感器、调节器、调节参数等来保障。数字液压对于使用者而言,是一个开环控制器件。有人形象的表述对数字液压的使用感受就是:“会数数就会使用数字液压器件或其构成的系统”。
数字液压实现微米级精密控制的核心是机液闭环的伺服控制技术,其与电液伺服阀控系统最大的不同在于,它利用巧妙的机械结构实现了液压作动器的精密反馈控制,使液压传动控制大为简化,让使用者不必再关心什么是PID、什么是频响、什么是阀口增益等等复杂的器件特性,将关注点集中在目标需求上。数字液压不仅大幅降低了技术门槛,对电离电磁、油液污染、冲击振动、温度范围等的耐受也大幅改善,努力做到让人人会用、用好。
数字液压包括:数字液压缸、数字液压马达和数字液压泵。目前行业中称之为:“数字液压”的技术形式简单归纳为以下几种:
1.控制方式数字化:所谓的控制方式数字化包括早期的比例阀电磁铁或者伺服阀力矩马达采用PWM电脉冲宽度控制驱动方式,相比线性比例电流驱动控制更稳定且动态响应特性更好;近些年出现将比例电磁铁换成步进电机控制的方式;
2.流道通径数字化:简单说就是通过1、2、4、8......成平方倍关系的流道不同组合,实现通流面积数字化,从而可以使定差下执行元件(缸、马达)实现对应速度的控制;无论以上两种或是其它类似方式的数字化,其根本目的都是希望用最简单可靠的方式实现液压执行器件的方向、速度、位移的精确控制,简化液压使用难度。而仅完成了控制的数字化,或流道通径的数字化,由于负载、系统压力、油液流动性等诸多因素的不确定,依然无法保证最终液压执行器件的速度稳定,更无法控制其位移量,依然需要借助其它检测、控制手段来实现液压执行器件的控制调节,本质上与复杂的伺服阀控系统无差别。
3.特性数字化:无论何种方式的数字化,其根本目的都是希望用最简单可靠的方式实现液压执行器件的方向、速度、位移的精确控制,简化液压使用难度。这里所定义的数字液压是液压执行器件(缸、马达)运动特性的数字化,即:电脉冲的频率对应液压执行器的速度、电脉冲的数量对应执行器的位移。负载、系统压力、流体特性、甚至是外泄内泄等的变化,均不影响液压执行器的需求特性,这样的技术被定义为数字液压技术。