電液伺服控制技術的歷史與發展趨勢

1．發展歷史

電液伺服控制的發展歷程主要分早期、二戰期間、二戰后三個階段。

(1)早期。公元前247～285年，生活在亞歷山大城的古埃及人Ktesbios就發明了很多液壓伺服機構。其中最為杰出的就是水鐘，他設計的水鐘可以顯示長達一個月的準確時間。其原理是通過節流孔將浮標顯示的液面高度與容器形成一個閉環反饋系統。從某種意義上說，這種浮標已經具備現代液壓伺服閥的雛形。1750年左右，用于控制給水系統和蒸汽鍋爐水位的液位控制閥在英國出現。隨著工業革命的發展，控制策略的不斷改進，進而影響到液壓技術的發展。

1795年，約瑟夫-布拉曼應用帕斯卡原理制作了水壓機，1796年，莫茲利為了使水壓機更好地工作，設計了水壓機泵的密封裝置——皮碗密封。而它是現代密封技術的雛形。到了18世紀末期，蓄能器在英國出現。19世紀早期，開始采用油液代替水成為液壓系統的介質，同時方向控制閥采用電信號進行驅動。

(2)二戰期間。在二戰前夕，由于空氣動力學的應用要求一種能夠實現機械信號與氣體信號轉換裝置。阿斯卡尼亞控制器公司及Askania-Werke根據射流原理發明了射流管閥并申請了專利。根據同樣的原理，福克斯波羅申請了雙噴嘴擋板閥的專利。德國西門子公司發明了永磁式力矩馬達，它可以接受通過彈簧輸入的機械信號和移動線圈產生的電信號，并開創性地使用在航空領域。在二戰末期，伺服閥是采用滑閥閥心在閥套中移動的結構。閥心的運動是直流螺線管產生的電磁力與彈簧產生的壓力共同作用的結果，因此，此時的伺服閥還僅僅是一種單級開環控制閥。

(3)二戰后。二次世界大戰之后，由于軍事的刺激，自動控制理論特別是武器和飛行器控制系統的研究得到進一步發展，這從另一個方面大大刺激了液壓伺服閥的研制與創新。1946年，英國的廷斯利發明了兩級液壓閥，雷神和貝爾飛機公司獲得了帶反饋兩級伺服閥的專利，麻省理工學院采用線性度更好、更節能的力矩馬達代替螺線管作為滑閥的驅動裝置。

1950年，穆格發明了采用噴嘴節流孔作前置級的兩級伺服閥。在此基礎上，1953～1955年，卡森發明了機械反饋式兩級伺服閥，穆格改進了雙噴嘴節流孔結構，沃爾平則將濕式電磁鐵改為干式的，消除了原來浸在油液內的力矩馬達由油液污染帶來的可靠性問題。1957年，阿奇利發明了射流管閥作為前置級的兩級電液伺服閥，并于1959年成功研制出了z級電信號反饋伺服閥。

此時的電液伺服閥開發研制進入了迅速發展時期，很多結構設計進一步提高了電液伺服閥的性能。特別是1960年的電液伺服閥設計更多地顯示出了現代伺服閥的特點。如：兩級間形成了閉環反饋控制，力矩馬達更輕，移動距離更小，前置級對功率級的壓差通常可達到50%以上，前置級無摩擦并且與工作油液相互獨立，前置級的機械對稱結構減小了溫度、壓力變化對零位的影響。

在20多年的時間里，電液伺服閥完成了從早期的單級開環控制閥到兩級閉環控制伺服閥的轉變。可以看出。那時，電液伺服閥的發展更多的是由于軍事應用的需要，因此，它的開發是不計成本的，這也造成了當時的電液伺服閥性能優越但價格昂貴。

隨后，一些公司開始開發電液伺服閥的工業應用。穆格公司于1963年研制出73系列電液伺服閥，可以滿足工業用油的清潔度要求。此后，為了滿足現代工業的要求，以1960年的伺服閥為基礎的伺服閥結構設計研制仍在繼續。如閥的體積變大（與航空用閥相比），材料也不再是鍛鋼；先導級獨立出來，以方便維修和調試；閥的許用壓力范圍降低至10MPa到20MPa，而不再是原來的30MPa；開始標準化生產，以降低成本和滿足通用的要求。

2．發展趨勢

當前電液伺服閥的研究主要集中在結構的改進、材料的使用及測試方法的改變上。

(1)結構方面。在結構改進方面，針對伺服閥常見故障進行分析，提出改進方案，采用計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)手段，進行結構優化，以滿足閥的性能要求，如直驅式伺服閥的產生、壓電陶瓷式伺服閥的出現。此外，還有利用三裕度技術對伺服閥的機構進行改造，將伺服閥的力矩馬達、反饋元件、滑閥副做成多套。若某個關鍵元件發生故障，可隨時切換另外備用套，從而保證閥的正常工作，提高了系統的可靠性和使用壽命。

(2)材料方面。在材料替換方面，可以針對電液伺服閥的性能要求，對特定的零件采用了強度、彈性、硬度等機械性能更優越的材料。對密封圈的材料進行更替，可以使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。用紅寶石材料制作噴嘴擋板，可以防止因氣饋造成擋板和噴嘴的損傷，而降低動靜態性能，使工作壽命縮短。此外，永磁式力矩馬達中電磁鐵的材料采用超磁致伸縮材料，可以提高電液伺服閥的動態響應特性。

(3)測試方面。在對電液伺服閥的動靜態特性進行測試時，測量儀器本身的影響、外界電磁信號的干擾等都會對測試結果造成影響，嚴重時不能正確反映伺服閥的性能。

此外，盡可能地提高測量儀器的測量精度，可以更準確地反映伺服閥產品本身的特性，有助于保證整個液壓系統的穩定性、快速性及經濟性。因此，很多個人及單位對測試儀器、測試技術等做了深入的研究。