▶论文导读 | 杨华勇院士团队：面向非道路移动机械的阀口独立控制系统综述

液压系统因功率密度高、输出力大等特点被广泛应用于各行各业，但同时也面临能源效率低的问题。随着全球对双碳目标的需求，提高液压系统的能量效率变得尤为重要。阀口独立控制系统（IMCS）打破传统液压阀的进出阀口结构耦合，通过引入额外的控制自由度、拓展工作模式（如图1所示），提高系统的控制灵活性；通过改变流量路径实现能量回收与再生，显著降低能耗。此外，IMCS引入了电子传感器和软件编程控制，进一步提高了液压系统的智能化水平。尽管IMCS具有上述优点，仍需面向市场化大规模应用进行技术攻关。本文回顾了IMCS面临的挑战，以及应对这些挑战的关键对策。

(a) 传统阀控系统      (b)阀口独立控制系统

图1 传统阀控系统与阀口独立控制系统的对比

液压阀的流量控制受阀芯位移、阀口压差和温度等多种参数影响，各类参数的非线性和不确定性导致流量控制过程复杂。目前液压阀常用的流量控制方法包括：①自适应控制：通过在线参数估计，自适应调整控制参数，提高控制精度；②自动标定方法：使用基于神经网络的流量软测量方法，通过全局敏感性分析和小波滤波器排除噪声干扰。上述方法可实现通用液压阀的流量控制，但液压阀在大流量控制和流量微调方面仍面临困难，为此，已有研究人员设计了图2所示的扰动补偿和非线性流量修正策略，使流量能够跟踪期望值，实现了稳态负载下控制误差的大幅下降。

图2 改进流量控制的新型液压阀配置(Wang et al., 2023)

传统液压阀通过先导级驱动控制主阀芯，以实现对主阀的控制。其中，IMCS因对液压阀的动态性能要求更高，需要先导级具备更快的响应速度和更高的控制精度。为此，现有的解决办法是先导级采用双两位三通阀、高速开关阀或电动驱动器。双两位三通阀的设计可减少先导阀中位死区和运动质量、提高控制灵活性，高速开关阀可实现快速的油路切换，如图3所示的电动驱动器能进一步提高系统的响应速度和控制精度。

图3 使用步进电机的紧凑型液压阀先导驱动模块(Niebergall and Ziegler, 2024)

通过机械臂作业的移动装备，如挖掘机、起重机和混凝士泵车，臂架结构刚度低，易导致振荡。此外，IMCS为了提高能量效率，采用增大阀口开度或差动回路的方法，导致系统阻尼和固有频率降低，进一步加剧振荡。为此，现有研究采用主动阻尼补偿方法，通过反馈的系统振动特性、调整阀口开度等控制量。振动反馈类型主要包括加速度反馈和动态压力反馈，如图4所示。与加速度反馈相比，动态压力反馈因成本低、安装灵活和可靠性高等特点应用更为广泛。对于某些可预测的系统振荡，部分研究人员通过轨迹规划，采用前馈控制方法设计更平滑的轨迹，减少系统振荡。

图4 不同反馈方式的主动阻尼补偿方法(Ding et al., 2017)

IMCS通过灵活的多种工作模式切换以提高能效，但模式切换过程的不连续性产生剧烈冲击。为此，可以采取以下3种方法来预防或减少冲击：①预防性切换，为典型运动和负载预定义合适的流量模式，防止运动中的模式切换；②离散切换，通过改进回路布局等硬件结构、优化传统离散切换控制策略减少切换冲击；③连续切换，通过同时激活多个阀工作，实现连续模式切换，但可能会引入额外的节流损失。

表1 平滑模式切换的主要方法

IMCS引入的电子反馈和复杂控制策略降低了其系统安全性，为此，国内外学者在故障诊断与容错方面进行了大量研究工作，目前广泛应用的控制策略主要可以分为两类：故障检测/诊断和故障容错控制。对于故障检测与诊断，研究人员大多采用基于模型的方法（如自适应鲁棒观测器）和数据驱动的方法（如神经网络）。对于故障容错控制，研究人员利用多控制自由度和多控制模式，在线重构控制器或重建反馈信号，实现了传感器故障和阀故障的容错控制。

图5 先进的故障诊断方法

与传统的液压系统相比，阀口独立系统独特的回路结构增加了控制自由度和信息感知，实现了高能效、强兼容性和优异的控制性能。然而，这些特点也对元件和系统控制工作提出了更高的要求。尽管市场上已有许多阀口独立控制多路阀及其液压系统，但此系统在工程应用中仍存在一些亟待解决的难题。因此，本文回顾了阀口独立控制技术面临的挑战，以及应对这些挑战的关键对策与未来发展趋势，重点总结了流量控制、先导驱动、主动阻尼控制、平滑模式切换以及故障诊断和容错的主要进展，并进行了相关讨论。

丁孺琦，华东交通大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。聚焦电液控制元件、系统及其装备运动控制的研究，主持国家重点研发计划课题/子课题，国家自然科学基金优青、面上、青年及重点支持项目子课题、江西省重大科技研发专项等国家/省部级项目十余项，研究成果已在发表SCI 46篇，其中第一/通讯 SCI 30篇（含中科院一区或TOP 19篇、ESI高被引1篇），出版 Springer 专著 1 部。授权发明专利34件。获浙江省科技进步一等奖（排3）、江西省技术发明奖一等奖（排3）、江西省科技进步二等奖（排1）、中国机械工业科技进步一等奖（排8）等省部级科技奖。

程敏，重庆大学机械与运载工程学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室固定研究人员。聚焦流体传动与控制等相关领域的科学技术前沿与国家重大需求，从事高能效液压系统设计与能量管理、高性能重载运动控制与人机交互等方面的研究工作。在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、IEEE Transactions on Vehicular Technology等SCI期刊发表论文40余篇，EI论文10余篇，其中多篇入选ESI高被引论文、SCI期刊封面论文、期刊重点推荐论文、中国机械工程学会优秀论文、全国流体传动与控制学术会议最佳论文等；获国家授权发明专利20项；获浙江省科技进步一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖等荣誉。

张军辉，浙江大学长聘副教授，博导，国家优秀青年基金获得者。主要研究方向为高性能液压元件及电液控制系统。主持国家自然科学基金4项，重点研发计划课题1项，军工科研项目10余项。研究成果已在机电领域国际刊物上录用发表一作/通讯SCI论文100余篇，授权发明专利60余项。入选爱思唯尔中国高被引学者（2022至今）、全球前2%顶尖科学家榜单。担任IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，Chinese Journal of Mechanica Engineering等多本期刊编委或青年编委。获得机械工业科学技术奖一等奖4项（分别排1、2、4、5），浙江省科技进步一等奖1项（排1）。入选王玉明科技强基青年奖、机械工业科技创新领军人才、中国机械工程学会青年科技成就奖。

徐兵，浙江大学教授，博导，教育部“长江学者”特聘教授，中组部万人计划创新领军人才。现任浙江大学机械工程学院常务副院长、流体动力基础件与机电系统全国重点实验室常务副主任。国际流体动力学会(GFPS)执行理事,中国机械工程学会和工程机械学会理事,中国液压气动标准化委员会主任委员，《中国机械工程学报》（英文版）副主编，《工程设计学报》执行主编。研究方向为流体动力基础件、机电液装备设计与运动控制等，主持承担了国家重点研发计划项目、973计划项目课题、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目/联合基金重点项目、国家科技支撑计划项目等科研项目，获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步一等奖5项，在SCIE期刊发表论文100余篇，授权国家发明专利50余项。

杨华勇，中国工程院院士，全国政协常委，流体传动与控制领域专家，本刊编委。现任浙江大学工学部主任，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室主任，国际智能制造联盟主席。在电液控制基础理论、基础元件和系统、以及盾构装备关键技术开发和工程应用方面开展了系列的研究，形成了“理论-元件-系统-装备-应用”完整的技术路线，对我国机电液装备的自主研发作出了重要贡献，取得了显著的经济效益。他的研究方向还包括智能制造和生物制造关键技术与装备等。荣获国家科技进步奖一等奖和二等奖（均排1），何梁何利基金“科学与技术进步奖”，被授予首届全国创新争先奖状、浙江省“最美浙江人·浙江骄傲”，首届“全国科创名匠”；英国机械工程师学会颁发约瑟夫.布拉马奖，美国机械工程师学会授予罗伯特E.柯思基终身成就奖。