關(guān)于流體傳動(dòng)及控制學(xué)科的評論.ppt

1、關(guān)于流體傳動(dòng)及控制學(xué)科的評論,報(bào)告大綱,歷史回顧,前言,發(fā)展現(xiàn)狀,未來展望,結(jié)束語,在回顧流體傳動(dòng)及控制學(xué)科發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對20世紀(jì)90年代后期以來液壓學(xué)科的發(fā)展作了綜合評述，它集眾多學(xué)科于一體，具有顯著的機(jī)電液一體化特征，尤其是與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使得液壓學(xué)科在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、故障診斷、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面有了長足的進(jìn)步。 最后對流體傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測，指出關(guān)注環(huán)保性能，提高效率；元件與系統(tǒng)的集成化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化；新材料的使用將是未來的發(fā)展方向。 流體傳動(dòng)與控制技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為一門與其它學(xué)科相互關(guān)聯(lián)、交叉的綜合性學(xué)科。它是集液壓技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、

2、計(jì)算機(jī)控制及現(xiàn)代控制理論等眾多學(xué)科于一體的高交叉性、高綜合性的技術(shù)學(xué)科，具有顯著的機(jī)電液一體化特征。,流體傳動(dòng)與控制學(xué)科是人類在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。,一、歷史回顧,1 流體力學(xué),對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘人阿基米德(Archimedes)，他建立了物理浮力定律和液體平衡理論。,1648年法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體中壓 力傳遞的基本定律，奠定了液體靜力學(xué)基礎(chǔ)。,流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是在經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律之后才逐步形成的。,17世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓(Newton)研究了在流

3、體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，針對粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力提出了牛頓粘性定律。,1738年瑞土人歐拉(L.Euler)采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中的壓力概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘性流體的運(yùn)動(dòng) 。 伯努利(D.Bernoulli)從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、流道高度之間的關(guān)系伯努利方程。 歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。,1827年法國人納維(C. L. M. Navier)建立了粘性流體的基

4、本運(yùn)動(dòng)方程；1845年英國人斯托克斯(G. G. Stokes)又以更合理的方法導(dǎo)出了這組方程，這就是沿用至今的N-S方程，它是流體動(dòng)力學(xué) 的理論基礎(chǔ)。 1883年英國人雷諾(O. Reynolds)發(fā)現(xiàn)液體具有兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)層流和湍流，并建立湍流基本方程雷諾方程。,2 液壓傳動(dòng), 1795年英國人布拉默(J. Bramsh)發(fā)明了第一臺液壓 機(jī)，它的問世是流體動(dòng)力應(yīng)用于工業(yè)的成功典范， 到1826年液壓機(jī)已被廣泛應(yīng)用，此后還發(fā)展了許 多水壓傳動(dòng)控制回路，并且采用機(jī)能符號取代具體 的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，方便了液壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。,19世紀(jì)是流體傳動(dòng)技術(shù)走向工業(yè)應(yīng)用的世紀(jì)，它奠基于的流體力學(xué)成果之

5、上，而工業(yè)革命以來的產(chǎn)業(yè)需求為液壓技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了先決條件。,1905年美國人詹尼(Janney)首先將礦物油引入傳動(dòng)介質(zhì)，并設(shè)計(jì)研制了帶軸向柱塞機(jī)械的液壓傳動(dòng)裝置，并于1906年應(yīng)用于軍艦的炮塔裝置上，為現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展揭開了序幕。,1922年瑞士人托馬(H. Thoma)發(fā)明了徑向柱塞泵。,1936年美國人威克斯(H. Vickers)一改傳統(tǒng)的直動(dòng)式機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，發(fā)明了先導(dǎo)控制式壓力控制閥。稍后電磁閥和電液換向滑閥的問世，使先導(dǎo)控制形式多樣化。,3 控制論,20世紀(jì)是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)飛速發(fā)展并日趨成熟的世紀(jì)，也是控制理論與工程實(shí)踐相互結(jié)合飛速發(fā)展的世紀(jì)，它為流體控制工程的進(jìn)步提供了強(qiáng)

6、有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。,1922年美國人米諾爾斯基(N. Minorsky)提出用于船舶駕駛伺服機(jī)構(gòu)的比例、積分、微分(PID)控制方法。,1932年瑞典人奈奎斯特(HNyquist)提出根據(jù)頻率 響應(yīng)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。,1948年美國科學(xué)家埃文斯(WREvans)提出了根軌跡分析方法，同年申農(nóng)(CEShannon)和維納(N. Wiener)出版信息論與控制論。,4 液壓傳動(dòng)及伺服系統(tǒng),1950年摩根(Moog)研制成功采用微小輸入信號的電液伺服閥后，美國麻省理工學(xué)院的布萊克本(Blackburn)、李(Lee)等人在系統(tǒng)高壓化和電液伺服機(jī)構(gòu)方面進(jìn)行了深入研究 。,1970年前后信號

7、功率介于開關(guān)控制和伺服控制之間的比例閥問世。,二戰(zhàn)后液壓技術(shù)在航天、國防、汽車和機(jī)床工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并且走向產(chǎn)業(yè)獨(dú)立發(fā)展，西方各國相繼成立了行業(yè)協(xié)會(huì)和專業(yè)學(xué)會(huì)，液壓傳動(dòng)和控制被作為新興技術(shù)得到重視。這一時(shí)期稱得上是液壓工業(yè)的黃金歲月。,4 液壓傳動(dòng)及伺服系統(tǒng),l960年布萊克本(Blackburn)的液動(dòng)氣動(dòng)控制和l967年梅里特(Merritt)的液壓控制系統(tǒng)兩部科學(xué)著作相繼問世，對液壓控制理論作出了系統(tǒng)、科學(xué)的闡述。,從1962年開始制定液壓元件的標(biāo)準(zhǔn)(CETOP，ISOTCl31)。,在主閥結(jié)構(gòu)上，早期采用水介質(zhì)時(shí)大多選擇錐閥結(jié)構(gòu)；油壓控制發(fā)展后圓柱滑閥結(jié)構(gòu)成為主流。1970年前后二

8、通插裝閥(大中功率)以及螺紋插裝閥(中小功率)問世井快速發(fā)展，使得滑閥結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊。,20世紀(jì)是流體傳動(dòng)及控制技術(shù)逐步走向成熟的時(shí)代。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當(dāng)一種傳動(dòng)方式，而且可以作為一種控制手段，充當(dāng)了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制對象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。,二、發(fā)展現(xiàn)狀,進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期，隨著自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)、可靠性技術(shù)的發(fā)展以及新材料的應(yīng)用，使傳統(tǒng)的液壓技術(shù)有了新的進(jìn)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的水平有很大提高。,1 液壓傳動(dòng)與微電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化集成 是新型元件和系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。,多功能集成電液元件

9、、具有數(shù)字接口的電液元件和檢測元件快速發(fā)展。,由于內(nèi)置電子線路以及串行通訊總線技術(shù)的發(fā)展，在一些大型現(xiàn)代化的電液系統(tǒng)，如冶金、大型礦山機(jī)械及工程機(jī)械中，泵、馬達(dá)、閥等元器件裝有各種必要的傳感器和兩路數(shù)據(jù)連接器，不僅可實(shí)現(xiàn)各種功能的控制，還可實(shí)現(xiàn)各元件狀態(tài)的監(jiān)測，使液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展。,現(xiàn)代的液壓系統(tǒng)是高度機(jī)電一體化的大型復(fù)雜控制系統(tǒng)。,中央計(jì)算機(jī)不斷訪問所有元件的當(dāng)前特性，并且與標(biāo)準(zhǔn)特性相比較，若顯著超出，可發(fā)出必要的警報(bào)。,2 計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和性能的不斷提高使得流體傳 動(dòng)及控制技術(shù)有了新的發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大大地提高了工作效率。利用CAD技術(shù)全面支持液壓產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、

10、外觀設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)到零部件設(shè)計(jì)的全過程。對現(xiàn)有的液壓CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立知識庫信息系統(tǒng)，它將構(gòu)成設(shè)計(jì)制造銷售使用設(shè)計(jì)的閉式循環(huán)系統(tǒng)。,A 新控制策略不斷被采用。,自適應(yīng)控制(AC)是指當(dāng)被控對象本身特性及其外部環(huán)境了解不多時(shí)或者它們在正常運(yùn)行中存在變化時(shí)，對其有自適應(yīng)能力和魯棒性,魯棒控制指的是當(dāng)系統(tǒng)模型包含不確定性因素時(shí)，仍然希望控制系統(tǒng)始終保持良好性能的一種控制方式。近年出現(xiàn)的 設(shè)計(jì)方法是魯棒控制的代表。,智能控制(IC)通過對系統(tǒng)特征的描述和提取，符號和環(huán)境的識別，知識庫和推理機(jī)的開發(fā)以及控制規(guī)律的在線學(xué)習(xí)和修正，對改善液壓伺服系統(tǒng)的控制性能有巨大潛力。,B 虛擬

11、技術(shù)在液壓行業(yè)中得到應(yīng)用。,虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)通常是指通過頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，操作者通過這些設(shè)施以自然的技能向計(jì)算機(jī)送入各種命令，并得到計(jì)算機(jī)對用戶的視覺、聽覺及嗅覺等多種器官的反饋。,包括與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。它最主要的目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便的人機(jī)交互。,虛擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具有“沉浸（Immersion）”，“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”三個(gè)基本特征 。,虛擬樣機(jī)(Virtual Prototype) 技術(shù)是基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，能

12、在一定程度上有“物理樣機(jī)”的功能真實(shí)度。它將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，它從外觀功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品。,虛擬樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,虛擬軋機(jī)(Virtual Rolling Mills) 的實(shí)現(xiàn),2030mm冷連軋機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu),虛擬軋機(jī)(Virtual Rolling Mills) 的實(shí)現(xiàn),虛擬軋機(jī)系統(tǒng)配置圖,虛擬軋機(jī)(Virtual Rolling Mills) 的實(shí)現(xiàn),虛擬軋機(jī)程序框圖,故障診斷技術(shù)有了長足的進(jìn)步并向智能化發(fā)展。,軟測量(Soft-sensing)特點(diǎn)就是以計(jì)算機(jī)和軟件為核心，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，選擇比較容易測得的一種或幾種輔助變量，來估計(jì)不能直接測量的主要變量。,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將

13、促進(jìn)流體傳動(dòng)行業(yè)多方面的發(fā)展。,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以使液壓氣動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和用戶信息反饋及時(shí)掛起鉤來。用戶要求和設(shè)計(jì)信息可傳給設(shè)計(jì)部門，設(shè)計(jì)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到相應(yīng)的生產(chǎn)部門及其他機(jī)構(gòu)，可以在網(wǎng)上就出現(xiàn)的問題交流看法和提出建議，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的無紙化、文件的電子化。,總之流體傳動(dòng)與電子、計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)相結(jié)合，大大促進(jìn)了流體傳動(dòng)元件及系統(tǒng)的發(fā)展。流體傳動(dòng)及控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械工程的基本要素和工程控制關(guān)鍵技術(shù)之一。,三、未來展望,有統(tǒng)計(jì)資料表明：近20年來液壓技術(shù)的發(fā)展來源于自身的科研成果僅約20%，來源于其他領(lǐng)域發(fā)明的占50%，移植其它技術(shù)研究成果占30%，沒有任何

14、一種學(xué)科能關(guān)起門來發(fā)展，這也是所有學(xué)科的共同趨勢。未來液壓技術(shù)難有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。其主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個(gè)方面。,1 流體傳動(dòng)與控制設(shè)備更加注重其環(huán)保性能,污染環(huán)境是流體傳動(dòng)工業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，也是妨礙它與電氣和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有效競爭的一大因素。,治理泄漏和降低噪聲是液壓系統(tǒng)需要解決的兩大 問題。,加大非石油基液壓油的使用力度。,水壓技術(shù)將會(huì)得到大力發(fā)展。,2節(jié)能降耗，提高效率。,廣泛采用在負(fù)載敏感系統(tǒng)，使之具有流量適應(yīng)控制和壓力自動(dòng)補(bǔ)償功能。,發(fā)展變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及二次調(diào)節(jié)技術(shù)。,輕量化 、小型化、節(jié)能元器件。,3 流體傳動(dòng)及控制系統(tǒng)變得更為集成化、模塊化、 智能化和網(wǎng)絡(luò)化。,由電子直接控制的元件將得到廣泛采用,借助現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)高水平的信息傳遞，可以對流體傳動(dòng)及控制大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合多目標(biāo)最優(yōu)控制效率最優(yōu)、功能最優(yōu)或預(yù)選目標(biāo)最優(yōu)。,流體傳動(dòng)及控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)加工、裝配和調(diào)試等過程的全球化虛擬制造，并對研究過程、生產(chǎn)過程、營銷過程實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)管理與經(jīng)營。,4 新材料的發(fā)展及使用,