外文翻译

翻译自：R.H. MASKREY W. J. THAYER

电液伺服阀的简史

流体动力控制，即利用加压流体能量的传输和控制，是一个古老且被很好的认识的学科。流体动力的增长加速了我们的欲望来控制不断增加的功率和质量与数量，更高的速度和更高的精度。更具体地说，在精确的运动控制需要的空间和重量是有限的，高功率重量比的便利使得液压伺服理想控制元件。

为了实现高功率水平的更精确的控制需求，特别是在机床领域，PRI玛丽飞行控制和自动消防控制由液压伺服机构的电子信号进程理想的结合在一起。信息可以转换，生成，和更容易地处理在电子媒介为纯机械或流体的信号，而在高转速下的电力输送最好完成方式便是通过液压伺服系统。这种结合电气和液压为电液伺服阀的方式提供了一种解决方式即用于一系列现存的控制问题也可以满足一个全新的应变组件的需求。这些组件的进化真的是一个关于日益增长的应用需求的故事，每一个都引导这更好，或更有效，或更可靠，或者更快的产品的诞生。为了满足这种需求，新的制造方法需要被构想出来，而且新颖的测试技术需要发展起来。

这系列产品的关键元件是电液伺服阀。在10到10⁶功率增益范围内，伺服阀是一种非常有效的正向循环的“放大器”以及电液转换器。这是伺服阀的发展进程，并且，这一进展已随电液并将继续跟随电液压发展下去。

• 进程

电液伺服系统追溯其根源将通过众多学科。最早的应用是早期的希腊文明和日本居民在水力学基础工作中。在工业革命时期一些非常实用的发明引导了各种液压机械设备的发明以及增加水力学的影响。这个家族的第二分支是过程控制领域，这个领域的信号传输的气动装置已经在发展，完善，甚至应用于功率控制应用和水利学中。同时，机器技术的进步引导着紧密装配零件，更严格的尺寸控制和更好的结构材料的使用，这也创造了一个高压液压系统的环境。在第一次世界大战期间高压的需求急速上升，尤其是海军装备制造商，并最终导致整个行业的制造高压流体动力元件。这一媒介的传输可接受性满足先进的电液控制的需求。

第三分支产生于相对较新的电子设备的领域。大型电机和电磁铁被用来当做原动机，催生了机电伺服电机，而他的微型版（直流或交流电机还有继电器）被用作控制设备。这样就具备了三个优点：第一，它导致了电机的小型化（包含更好地磁铁以及材料）；第二，它提供了一个原因去在闭环控制领域扩展知识；第三，他引导这整个领域的机电换能器的发展。第一个发展直接影响伺服阀，后面的两个增强对更好地闭环控制的氛围和需求。

这个领域的最新贡献者是电子领域。真空管放大器是使电液控制领域成为可能的装置，它是固态电子技术的进步，使其在尺寸和功耗方面有明显的降低，使其实用化。除了驱动电子的贡献，固态技术提供了新的和创新的测量设备，新型传感器，那可以打开控制的新领域并扩展处理信号信息的手段，以便让更复杂的控制问题得到解决。

• 早期历史

对于流体历史最早的贡献可能没有被记录下来，但是我们这个领域最早的有意义的贡献毫无疑问是ktesbios ^[1]。一个公元前285-247的亚历山大人。生活在一个以突出的科学成就而闻名的时间和地点。Ktesbios是记入第一个液压伺服机构的发明的人。在他的众多发明当中，有一个就是水时钟，被用来在很长一段时间内记录时间，尤其是月份。

通过测量容器中的水的水平的记录，以保持恒定的流量的容器的时间。ktesbios通过控制水位，解决了这个问题，恒流（压力）在上游的一个容器，喂食定时容器通过固定孔。水位由一个浮动的游杆控制其开通或是关闭，按比例，一个可变的节流孔在上游的容器上。从严格的定义上说，这是一个目前仍在使用的自动控制装置，虽然不是使用在水钟这个方面。事实上，水的时钟的消失预示着在第十四世纪的机械时钟的兴起，在接下来的四百年内，液压控制的浮动阀开始出现而且一直被使用着。

在1750年左右的英国，浮动阀在国内供水和蒸汽锅炉中被用来控制液位。在此期间，第十八个世纪，在英国蒸汽锅炉的设计开始激增，这场风暴传播至俄罗斯，并最终席卷了整个欧洲的其余的国家。这一时期显然是工业革命和其本身在液压伺服机构取得成就的时期。随着锅炉的发明的更新，控制方案也在发生着变化。各式各样的流量阀都获得了专利，除此之外还有一种新的设备被用来控制蒸汽压力。在1800年，这些装置被称为调节器，这是一个术语，一个在所有反馈装置越来越普遍的术语，尽管有一些不是。

“工业革命”一词来源于它开启了小工具以及发明迅速膨胀的时代，而这些小工具或者发明成为如今的电液系统的重要的组成部分。

比如，1796年的布拉马的液压机，需要亨利莫得杀的一个皮碗密封的新技术才能正常的工作。这就是我们的密封技术的先驱。这些液压，由手动泵和油缸所组成，在英国的制造业之中开始慢慢地推广开来，而且这毫无疑问也推进了蒸汽驱动泵在众多场合使用的步伐，也促进了在液压线上功率的最终传输的使用。在1800年代的末期，许多的英国的城镇都拥有中央高压水力发电系统用于能源的分配。虽然这样的方案最终被更高效的电力分配系统所取代，但这确实推进着变量液压泵和蓄能器的发明的浪潮。

在公元十九世纪期间，数不尽的反馈装置被发明出来，但是只有那些适用于原动机的装置，比如液压调速器被人们所接受并使用。因此，伺服系统的技术被限制于机械以及液压机械设备的条件，这一现象一直持续到二十世纪初（才得以改善）。接下来的便是控制问题中的电子解决方案的应用，以及一种潜在的规则（默认），即使用更多的理论处理问题。正是因为这个多元化的原因，在1920年代，30年代，和40年代伺服电机的“启蒙时代”就这么到来，其中包括很多人，例如kupfmuller， Nyquist，Oldenburger，Black，Bode。

在1900年代初就可以看到一些有意义的发展，其中包括石油在流体介质中的使用，电力在驱动方向控制阀之中的使用，以及泵送元件的发展。机械反馈伺服系统作为汽车动力转向部分在1920年代末期开始出现，尽管他们直到1940年代末都没有被广泛使用在汽车领域当中。

在第二次世界大战期间，有几件具有重大意义的事件发生了。在过程控制领域，气动技术被用于计算、控制和信号传输。这项工作所需的机械/气动换能器，并诞生了一个所需的阀门。德国的燃油调节器公司及Askania-Werke用喷射管原理研制和专利的阀门，在流体压力转换成一种射流动量。这台喷气机是将2个接收器之间的动量恢复为压力或流量。同样地，公司开发了利用圆柱cuitain口面积的平板走向尖锐的边缘喷嘴挡板阀。这2个装置，如图1和图2，在伺服阀的未来发展中发挥重要作用。

德国西门子开发的双输入阀可以接受通过弹簧的机械输入和通过移动线圈、永磁电机的电气输入。而相对原始的以今天的标准，这种阀门是用在位置闭环，并已成为一个用于飞机飞行自动控制阀的先导。

在闭环电液控制方面进行了多次尝试，其中Tiebel ^{[ 2 ]}专门在图3给出了一个典型的例子。这里的机械运动信号来自一个速率陀螺仪总的的直流电动机产生的运动，反过来，电信号来自一个姿态陀螺仪与气缸位置的内部反馈。由此产生的误差信号移动四通滑阀缸提供校正流量。

电液伺服系统发生了一个重要的飞跃，这是第二次世界大战的成果，取得这些成果有几个原因：

-硬件发展的步伐（材料、流体、电子等）为Ramp;D的不懈努力所加速。-自动控制原理得到了发展和验证。

-一类有知识的人发现自动控制具有挑战性，被转而应用于宽松战后商业和飞机环境。

一些在电液成分领域的战后发展是戏剧性的，但大多数是渐进的，包括改进现有的局限性。最好的方式来理解这些发展就是按时间的顺序去学习。这一时期的历史真的是一个电液伺服阀的历史，这是它的发展和成长的历史。到战争结束时，伺服阀主要是滑阀套筒作为以米为单位在液压流内移动。该阀芯由直接作用式电机移动，通常为直流电磁铁。比例控制是通过电磁反作用弹簧和改变电机的电流导致位置的变化来实现的，甚至是阀门的流度。

1946英国的廷斯利^{[ 3 ]}获得第一个二级阀的专利。采用直动式电磁为第一阶段，阀芯驱动，然后把第二阀芯级压差。这是克服单级阀的单阀值低压，并提供更好的水压环境敏感性的早期尝试。

不久之后，这是由雷神和贝尔飞机^{[ 4 ]}的改进，其双级阀实施反馈从第二阶段造成第一阶段衬套遵循二级运动（机械直接跟进）。

于此同时，动态分析和控制实验室在MIT^[5]对两级阀增添了两项改进。第一个就是真正的力矩马达（一个永磁体，可变磁阻制动器）的使用和致使一个有意义的功率补偿以及在限行度上的改进，而螺线管做不到。第二就是使用轴位置传感器电子反馈第二阀的位置。电回馈的使用在高增长回路中可以帮助减少摩擦力水平在第一轴的影响，由此提高了静态特征值。这摩擦的影响是阀值。
在1950 W.C.Moog，Jr.^[6]发明了采用几乎没有摩擦的试点阶段的两阀伺服阀（图4）。一个挡板和喷嘴可变孔板被用来连接一个固定孔板来驱动一个二级轴在一个三模式的工作环境中。这样的挡板喷卒子值被一个转矩电机，且轴的位置被一个在直连轴上的运动的弹簧所反映。这个方法的优点在于减少阀值，还有第一轴的较低的干扰造成的高动态响应。频率响应在顺时针90度100Hz条件下有可能允许在高增益位置伺服电机的伺服阀的使用。

机械强制反馈在二级阀的使用是由T.H.Carson^[7]在1953年所开创（图5）。在转矩电机中拉簧被用作产生力量（转矩）来成比例控制阀的位置，在阀周围形成封闭的机械环。结合无摩擦的第一轴与第二轴的机械反馈，他可以改善阀值，改善第一轴误差引起的动态响应，还能减少由第一轴增加产生的反馈影响温度和压力使得阀值位置异常。
一项在环境敏感性的改进被Moog^[8]以对称性双喷口桥的介绍在1953年达成。这减少环境产生的零漂。与此同时可靠性被Wolpin^[9]提高，他介绍了一种能够将流体从扭转电机中隔离的方法。
在1957年，Ｒ.Atchley^[10]设计了二级伺服阀，其一级基于Askania的射流管阀，在挡板喷嘴阀中这个阀（图6）提供了单进油管路代替双管的方法，这样为特定的失效模式提供了一种可靠的方式。
经过这个时期，许多特定的设备被开发出来满足特定的需求。在其中包括：稳定谐振负载引起的动态压力反馈的伺服电机；可以检测自身误差并自动隔离误差的冗余伺服电机；正压反馈弥补静态结构是否合规的伺服电机；在给冗余多输入间的投票的伺服电机；为了获得更高流动能力的三级伺服电机。

• 市场的扩张，航天航空的应用

因为硬件的革命，电液伺服的应用从一个很小很复杂的市场，变到一个很大，低消耗，不复杂的市场，而这个市场一直持续到了现在。
市场起源于军事，最初用于雷达型电液驱动、指导平台的驱动，以及导弹发射控制。早期的电液伺服的高成本被视为取得如此成果的必需品，无论是在初始投资和可靠性。电液成为军队的专属权限有以下的原因：

-军事预算能负担得起开发成本。

-改进的性能往往是军事装备的主要目标，性能妥协是不可接受的。

-在这项技术中，员工主要做分析和设计工作，这在军事承包商中很常见，在工业或者研究领域并没有这么多。

-在许多军用车辆中使用液压动力是很常见的。、

因为成功的早期应用和由此产生的对更好的硬件压力，名单中还包括导弹和雷达天线定位器飞行控制。在飞机上，电液被用于诸如稳定增稳飞行控制系统（在手动飞行控制中有限的权力自动控制），动态调谐磁控管和抗雷达干扰保护。由于增强直升机稳定性的迫切需要，直升机成为电液伺服早期试验场。

尤其是在50年代末和60，太空时代的到来带来了一个新的领域，其条件类似于刚才提到过的，再加上对高速、可靠性的前所未有的需求。电液压的主要用途是在飞行控制。车辆实现矢量推力控制，以及在某些火箭上是否移动火箭发动机的液态或固态喷嘴或者整个电或将废气流液二次注射正交流或定位叶流本身。每一个空间运载火箭，伺服电机已被用于以上的方案中的某一个去指导和控制。然而，除了运载火箭本身，由火箭轨道产生的低功率和低动态需求的瑕疵依旧存在。

空间规划，除了扩大现有市场的基础，还带来了更可靠的硬件在各个领域的需求：电气，机械和液压。这导致发展更可靠的组件以及实现性能可靠的新技术，并检验的新方法和制造质量控制，所有这些都导致了更好的硬件和控制介质的适用性。一些最复杂的飞行控制如航天飞机轨道器和运载火箭就 明显的例子。在每个航班的表面功率驱动器上，四信息通道和液压控制具有适当的检测和关断逻辑能力。

同时，新一代的高性能航空飞船在不断发展，并伴随着新的需求和新的流体动力控制问题。随着规模的增加，速度和商业运输飞机的成本成为在恶劣的天气条件下飞行的必需考虑的因素（类别3着陆），因此需要更可靠的飞行控制系统。该解决方案涉及高功率，飞行控制中三个冗余组的高权限，这样的一个单一的故障不能导致系统故障。SST给这个问题增加了一个新

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