‘数字液压’之我思

来源：芜湖赢诺液压科技有限公司发布时间：2021-10-19 14:39:00 点击：

记得，在 1979 年读硕士时，学校里已有模拟计算机，又添置了数字计算机，都是好几个大衣柜那么大。当时还曾有过模拟机、数字机孰优孰劣之辩。没几年，模拟机就乏人问津了。从数字计算机开始，过去五十年来，数字技术一直在胜利进军。音乐：在采用数字技术的光盘出现后没几年，采用模拟技术的唱片、磁带就都被挤到角落里去了。光盘上的 DDD 表示录音、处理、保存过程全都采用数字技术。过去的电视图像常会有‚雪花飘飘‛，那是模拟技术的电视信号受到干扰了。采用数字技术后，图像清晰稳定多了。相同的电线，可传输的数字电视频道数是模拟电视的十倍以上。

记录视频，(数字)光盘取代了使用模拟技术的磁(性录像)带，二十多年间，视频格式从低清晰度的 VCD(352×288 像素)发展到 DVD、蓝光、4K(3840×2160 像素)、8K(7680×4320 像素)，纤毫毕现，胜于坐前排看电影。数字相机取代了采用模拟技术的胶卷相机，图像便于后处理，连专业摄影师都爱不释手。数字电影也正在淘汰胶片电影。看上去，数字技术所到之处，无往不胜，在短短几年中就取代了过去长期使用的模拟技术。那么，‚数字液压‛也会取代传统液压吗，会或不会的原因是什么?这是

本文试图探讨回答的问题。

模拟技术是以模拟量为基础的。数字技术则是在数字量的基础上发展起来的。一些相关概念的定义在不同的范畴里有所不同。在过程控制领域里，笔者是这么理解的。模 拟 量，指的是，在时间上和空间上都是连续的，逐渐过渡的，在一定范围(定义域)内可能取任意值的量。比如说，油箱中的油温、液位、液压缸中活塞的行程、负载腔中的压力、比例阀阀芯的位移。离 散 量 ，指的是，在时间上或空间上是不连续的，只取几个分立值，不存在中间值的量。例如，开关阀阀芯的位置，在正常工况下，忽略其开启关闭过程，只考虑全开和关两种状态，其位置就可认为离散量。再如，几个定量泵并联，可输出的流量，一般也常近似认为是离散量——各个泵输出流量的不同组合。离散量是无序的。

离散量和模拟量之间没有绝对的界限。

模拟量和离散量是客观存在的。

数字量 ，世间本无数，凡人自为之，是人为约定的，对客观世界的抽象的简化的描述。数字造出来就是为了传递信息而非动力的。用数字可以对人施加心理上的压力，却不能传递物理上的压力。

数字量是有序的。

具有先后顺序。如，每次加 1，结果总是 1、2、3，而不能是 1、3、2。二进制，数码只有 0 和 1，但也是有顺序的：0、1、10、11，...。数码在不同的位置有不同的意义。如 11，左边的 1 的值在十进制中是右边的1 的 10 倍。三万五千，人人皆懂。三千五万，就不行了。

无序的量不能算是数字量。

数 字 技 术 得 以 广 受 欢 迎 的 原 因 与 应 用 范 围数字技术得以广受欢迎，是得益于至少以下几方面的特性。

高 抗 干 扰性 性

现实世界基本是模拟的。实际用来保存传递信息的物理量，在保存、传输、再接收的过程中，总会受到不可预计的干扰，有无法确定的损失。例如，磁带上的磁性会减弱;电磁波在空气、导线中，光波在光纤中，长距离传输后，强度会衰减;光盘上的反射凹凸点经过几十年也会由于氧化而出现不均匀的高度损失。这样，实际接收到的信号强度与原始的就会有差别。比如说，发送端的信号强度是 1.000±0.001V，接收端可能是 0.990±0.005V。如果使用模拟技术，根据接收到的信号强度来处理，就会出现失真。转发次数越多，失真就越大。数字技术的基础原理大致如下：发送接收方约定，发送方对要传递的 模 拟 量采样，得到离散量，再把离散量逐个转化为由数码 0 和 1 组成的二进制数字量，用脉冲成组地发给接收方。接收方把收到的幅度小于一定值，比方说，0.3 的脉冲都看作0，幅度在一定范围内，比方说，0.7∼1.3 的脉冲都看作 1(图 1)，在此范围之外的都看作无效。然后，在需要处再把成组的二进制数转化成八进制、十六进制或日常生活习惯的十进制数，然后复原为模拟量。这就具有了极高的 抗 干 扰 性，获得了极强的可 再 现 性，从而可多次转发。图 1 二进制编码信号传递原理A—接收到的信号 B—根据约定解读出来的二进制数字信号例如，手机、PC 机中的 USB 接口约定，把+3∼+15V 作为 0，-3∼-15V 作为 这种抗干扰性，二进制胜过其它所有进制，例如，三进制。所以，现在在整个社会备受欢迎的数字技术，实际上是 二 进 制 数 字 技 术。编码信号传递时的频率一般固定，但不用 Hz 作为单位，而是用 b/(bit/s 比特率，每秒能传送的数码个数)，从早期的几千 b/s 到现在的几百万 b/s(Mb/s)乃至几十亿(Gb/s)。

可校核性性

模拟量转化成数字量后就便于校核了。比如，在发送一批数据的结尾再发送一个校验码。约定，这批数据的总和的最后两位应该等于校验码。否则，这批数据全部无效，请求重发。信息的 可 靠 性由于可校核而进一步提高了。

综 合 表 述 能力 力

使用一串数字组合，数字技术现在已可同时表述世界上几乎所有的在用文字，表述各种声音、色彩、图像、音乐、电影等，其失真已达到常人难以察觉的地步。

可 编 程性 性

在数字技术基础上发展起来的计算机程序，一方面可被计算机执行，另一方面又可表述极其复杂的逻辑，从而使计算机可以实现复杂的过程控制，具有了一定的自学习能力，正在向人工智能挺进。

高 速 运 算 能力 力

手机中的中央处理器 CPU 都已能进行每秒上亿次算术和逻辑运算。有些手机同时装有 4 个 CPU(4 核)，其运算——执行复杂程序的能力已很难想象了。

高 速 传 递 能力 力

数字技术，一方面，由于利用电磁波和光波传播，速度达 30 万 km/s。另一方面，以极高的频率传播(手机的 3G、4G、5G，本质上是应用了更高的频率)，可以载送极多的信息。现在,家用光纤的传播速率都可达 100Mb/s，已经可以同步传送高分辨率的视频。不消一秒钟，就可以传送完四大古典名著。

高 集 成度 度

现在，可携式硬盘，巴掌大小，存储量已超 2T，相当于 1 万亿个汉字，约 80 万本红楼梦。而大规模云服务器的存储能力，则已难以用日常生活语言来描述。二进制数字信号被用电路的两个稳态来表示，因此，电路中的元器件不需要很高的精度，可以压缩得极小。现在，大规模集成电路中元件的大小只有头发丝的几百、几千分之一，一颗芝麻大小的集成电路可含几百万个电子元件。

低 价格 格

制造集成电路的主要原材料硅，是地壳中第二丰富的元素，因此，取之不尽。过去五十年以来，随着制造技术的成熟，集成电路体积的缩小，每隔 18 个月，相同功能的集成电路的价格就下降一半。

互 联网 网

在以上各项特性基础上发展起来的功能强大的互联网，已走进家家户户，甚至每个人的口袋。数字技术以信息数字化为基础，但其之所以能够取代模拟技术，却是离不开以上诸多方面特性的支持，缺一不可。设想一下，如果手机还是 20 年前的大哥大那么大，或是屏幕只是黑白的，或是拍了 3 张照片内存就满了，或是不能连互联网，或是在朋友圈里发一张照片需要一个小时，或是发一张就要花费 100 元，数字技术还会如此受欢迎吗?

即便如此，数字技术的应用范围也是有其局限的。

仅用于传递 信息 息，电压只有几 V，电流只有几个µA，所传递的功 功 率对日常生活工程技术微不足道。

还有很多信息可惜至今还是要借助语言文字做一些词不达意的，极其主观的描述，尚未见数字化成功应用的公开报道，例如，关于香味、食品滋味的信息。

厘 清 一 些 概 念看到‚数字技术‛大受欢迎，有些液压‚文献‛也来乱点鸳鸯谱了。因此有必要在此梳理一下，给他们补补课。

脉 码 调制 制 PCM

脉 码 调制 制 P PC CM M ，全称 Pulse Code Modulation 脉 冲 编 码 调 制，是把模拟信号离散化，转化为数字信号的 处 理 过 程：根据一个约定的频率，对模拟信号采样;再把得到的离散的脉冲的幅值转化为二进制编码的数字量(图 3)。

语音通讯(电话)在上世纪七十年代就开始采用这一过程。例如，采样频率为8k，即每秒采 8k(8000)个脉冲，再转化为 8 位的二进制编码，即一个脉冲 8 个bit。这样，64k 个 bit 就可以表达一秒钟的语音了。这样，就可以把语音变成数据包，高速输送了。如果网络的传播速率为 100Mb/s 的话，就可以同时传送约(100M/64k≈)1560 个语音(电话)。收到后再按约定的频率(8k)复原，基本可以反映人声。现在，通过互联网传送的声音也都是这样数字化了的。一般模拟信号数字化，常称为 模数 数 A A/ /D D 转化的，大致都采用这一过程。所以，PCM 是数字技术的基石。8 位二进制数只能表达 0∼255，对液压测 测 量，分辨率太低，所以常采用 12 位，可以表达 0∼4095，即约 0.025%的分辨率。

脉 幅 调制 制 PAM 和 和 脉 频 调制 制 PFM

这两者都不属于数字技术。脉幅调制 PAM，全称 Pulse Amplitude Modulation 脉冲幅度调制，简称调幅(AM)，直到上世纪 80 年代，还是被普遍用于无线电广播(长波、中波、短波)：用要传递的 模 拟信号去调制一个具有较高的固定频率电波(载波)的 振 幅，得到可发射的调幅信号(图 4)。接收端再把收到的信号滤去载波，还原出模拟信号，放大，推动喇叭。由于调幅信号中的干扰难以识别排除，因此，收听到的广播常是带杂音的。

脉频调制 PFM，全称 Pulse Frequent Modulation 脉冲频率调制，简称调频(AF)：用要传递的 模 拟信号去调制一个更高频电波的 频 率，得到可发射的 调 频信号。因为干扰一般只会影响信号的幅值，不会影响信号的频率，因此，从调频信号中解调得到的模拟信号所含干扰极少。所以，调频广播的音质较调幅好得多。自上世纪后期开始，沿用至今，看来还会长期使用。

脉 宽 调制 制 PWM

脉宽调制 PWM，全称 Pulse Width Modulation 脉冲 宽 度调制，由一系列方波组成。虽然脉冲形状有点像数码脉冲，但作用原理截然不同。幅值是离散的，只有 0 和满幅值(例如 24V)。有固定的频率，液压技术中使用的一般为 100 至 200Hz，即周期 10∼5ms。脉冲 宽 度可以取任意值，比如说，周期的 35%、52.5%等。方波的持续时间，在多数工况，是离散的。在脉冲宽度 100%时，就不再离散。液压技术中，PWM 被用于传递功率，驱动比例电磁铁，电流一般在 1A 上下，功率在几到几十 W。PWM 不具有前节所述数字技术的高抗干扰性、可校核性、综合表述能力、可编程性、高速运算能力和高速信息传递能力。PWM 可以算为离散量，但不应该算作数字量，因为它不具有数字量的基本特点

——有序。

PWM 早在上世纪七十年代就与比例电磁铁技术一起被应用了。如果因为用了 PWM就算是数字液压，则目前所有使用电比例阀的液压系统都可算作数字液压了。

脉 数 调制 制 PNM

脉数调制 PNM，全称 Pulse Number Modulation 脉冲 数 目调制，也被称为脉冲 密度调制。虽然脉冲形状有点像数码脉冲，但作用原理也截然不同。

脉冲的 幅 值是离散的，只有 0 和满幅值。脉冲的 宽 度一般是固定的。脉冲(在单位时间内)的 数 目，也即脉冲的密度(频率)在一定范围内可以取任意值。PNM 不具有前节所述数字技术的可校核性、综合表述能力、可编程性、高速运算能力和高速信息传递能力。PNM 可以算为离散量，但不应该算作为数字量，因为它不具有数字量的基本特点——有序。所有的脉冲，无论先后，都是等价的。PNM 可用于驱动步进电机。由步进电机的结构决定(图 7)，在 一 定 频 率 范 围内，每输入一个脉冲，定子上的磁极就会对转子上的齿又推又拉，迫使转子转动一个齿，一个固定的角度，不多也不少。因此，转子的转角对输入的脉冲的数目有较强的再现性(抗干扰性)。

1—定子 2—转子

转子的转角一般是 1.8°/步，即 200 步/转，也有的可达 1000 步/转。被转子惯量所限，如果步进脉冲频率太高，一般超过几千 Hz，就会 失 步：转子转动角就不再跟随步进脉冲。驱动步进电机的步进脉冲，峰值电压一般为几十 V，电流为几个 A，其最大转矩仅几个 Nm，用于直接驱动液压泵的话，只能提供几 bar 几 L/min 流量。所以，一般仅用于驱动电液转换阀的阀芯。

数 字 液 压 能 与 计 算 机 直 接 相连 连”这是 讹 传!

计算机中电子元件间的工作电流都小于几个µA。而控制任何液压元件，需要的信号电流都至少几十 mA，是计算机内部电流的万倍以上。因此，计算机要驱动任何液压元件都需要 功 率 放 大，不可能直接连接。计算机中电子元件间都是通过 内 部 总 线传递 并 行信号，从早期的 8 位到现在常见的 64 位。任何输出信号都需要专门的电子元件从这个内部总线中取出转化放大，无论是控制伺服阀的模拟信号，还是控制比例阀的 PWM 信号、驱动步进马达用的PNM 信号;哪怕是最简单的开关信号，也需要一个专用电子元件，从并行总线中取出某一位。个人用计算机的输出接口，以前有连接打印机用的 25 针并行口、连接鼠标用的 9针串行口，现在只有耳机接口、HDMI 和 USB 接口。这些接口都不能与液压元件直接相连。一些工业控制计算机或 PLC 有专用接口，可以输出控制液压元件用的模拟信号、PWM 信号、PNM 信号和开关信号，但都是根据需要特地设置的。不同的电子元件和放大器是有些价格差，但在电子工业高度发达的今天，这些价格差相对整个液压系统的造价已可忽略不计了。所以，‚计算机控制离散液压元件，不需要 D/A 转换元件‛是对的，但所谓‚ 数字 液 压 能 与 计 算 机 直 接 相 连 ‛这种说法是讹传，纯属忽悠!

‘ 高 速 开 关 数 字 阀 ’

高速开关阀有可能被用于‚离散液压‛，代替模拟阀——伺服阀、电比例阀)。在气压传动中早就应用了。因为气体弹性大，虽然阀快速开关，气体压力依然是连续变化。但液体刚性大，应用就不那么简单，必须有措施抑制压力冲击，所以仍处于探索阶段。真正用于液体的高速开关阀，至今还只是被用于燃油的电喷，这并非正宗意义的液压传动。高速开关阀凭什么叫‚数字阀‛?是因为控制阀的信号是 PWM 吗?切换普通开关阀的电信号其实也是与 PWM 相同的方波，只是持续时间长些而已。高速开关阀和普通开关阀的功能都是开关，切换速度的不同，并未引起什么质变。凭什么高速就能(需要)挂上‚数字‛，难道低速开关阀是模拟阀吗?挂上‚数字‛，混淆概念其实无助于其推广应用。

关 于 ‚ 数 字 液 压 ‛ 的 定 义

在欧洲，数字液压的研究主要集中在芬兰坦佩雷理工大学(Tampere Universityof Technology)、奥地利的林茨大学(Johannes Kepler University Linz)等几个研究机构。坦佩雷理工大学 Linjama 先生曾提出如下定义：‚Digital Fluid Power meanshydraulic and pneumatic systems having discrete valued component(s)actively controlling system output.‛ [2] 大意为：数字流体动力指的是那些液压和气动 系 统，它们具有 离 散 量元件主动控制系统输出。注意：此定义只提及数字系统11和离散量元件，并未提及数字元件。该文给出了一些可能的模式。参考文献[6]指出了一些模式可会遇到的问题。一并归结如下。

阀 控 离 散 化

使用开关阀，代替传统(模拟)液压中的模拟阀。所控制的流量理论上是离散的。但如果开关非常频繁，分级相当细的话，效果就可接近或等同模拟控制

单阀，利用 PWM 信号驱动，通过控制开启时间来控制通过流量(图 8a)。

如果用步进电机控制阀，虽然接收的是步进脉冲，但控制流量阀是模拟阀，不能是开关阀。所以，只能算是介于离散液压与模拟液压之间的产品。

多阀，有两种可能：

a)各阀相同，由信号控制开启个数。

b)各阀(节流孔)不同，通流面积按 2 倍递增。这样，如果用 6 个阀，理论上

就可以获得共 64 种通流面积。

泵 控 离 散 化

单泵，利用 PWM 信号，通过控制旁路阀开启时间的长度来旁路流量，这样就不再需要用于维持恒压的溢流阀，可以减少能耗(图 9a)。这里，蓄能器的液容就起着类似比例电磁线圈的电感的作用，尽管压力是脉冲的，但保持流量连续.旁路阀的开启关闭总是需要一定时间，在这段时间中，会有一定流量通过阀口，造成能量浪费。时间越长，浪费越大。所以，最好使用高速开关阀。但时间越短，则对泵的压力冲击梯度越大，对泵的寿命危害越严重。

多泵，根据需求关闭旁路阀，可以得到不同的输出流量，以取代变量泵。此方案的原理并不是全新的。用低压大流量高压小流量的双泵来离散地代替恒功率变量泵，已有上百年历史了。以上这些方案，实际上是用离散元件取代了模拟元件。所以，笔者认为，称为‚离散液压‛更贴切一些。国内有文献将此称为‚狭义的数字液压‛，而将国内出现的形形色色使用 PWM 和 PNM 控制的所谓‚数字液压‛称为‚广义的数字液压‛。概念是人定义的，对某个已通用的名词提出新的解释、新的定义，也是可以的。但是，提出者应该加以说明，而听者则应首先了解其定义，究竟指的是什么东东。靠混淆概念，是不能持久的。另外，也应该考虑已经通行的惯称。例如，把‚在工厂里指导过博士生实习‛简化为‚博导‛，从文字上是说得过去的，但拿到社会上去自我标榜，就是鱼目混珠、欺世盗名了。关在家里，可以把中文中称为‚鹿‛的动物定义成‚Ma‛，但如果想借此参加国际赛马比赛，那是要被笑掉大牙的。

关 于 技 术 创 新 与 取 代

毫无疑问，我们需要不断创新，用新的更好的产品来取代老产品。

要 把 客 户 需 求 放 在 首位 位搞技术做企业的，时时刻刻放在首位的，应该是客户的需求，自己的技术能给客户带来什么效益。比如说，液压缸，客户是用来驱动负载的。因此，放在首位的就是行程。然后，额定工作压力是多少，做过多高的耐压试验，做过几十万次的持久性试验，活塞杆的抗磨损耐腐蚀性如何，低速运动的还要关心摩擦力多大，是否会爬行，是否达到行业标准的最低要求，等等。目前绝大多数液压缸，尤其是用在工程机械上的，是靠人工操控，即人工闭环控制的，并不需要自动定位。如果是自动定位的液压缸，就要谈，在负载变化油源压力变化时的定位重复性和准确度，动态响应特性。拿实测数据说话。国内国际，能制造液压缸的企业，少说也有千家。要说达到国内先进水平，还比较容易。但要说‚达到国际先进水平‛，那就应该至少研究考察过世界上八个十个前沿制造厂的水平。

技 术 创 新 与 取 代 必 须 注 意 的 要点 点

1 1 )功能任务必须基本相同。拿功能任务不同的元件来比较，谈取代，并无意义。

2 2 ) 性 价 比更优：或性能优，而价格增加不多;或性能不差，但价格明显低。这里的性能应该是广义的，包括了持久性、环保性等等。这里的价格，则不仅要考虑到研发、设计、制造费用，而且要考虑到更换、替代费用。因此，要说一种元件更先进，可以取代另一种元件，就需要实事求是地全面比较通过测试获得的性能数据，比较各种成本，光比较某一点是不够的。例如，带反馈的伺服阀，尽管其重复性、线性、滞迴等明显优于普通开环的电比例阀，但其应用数量、范围却远不如电比例阀，不仅是由于结构复杂，制造成本降不下来的缘故，还有污染敏感性等等问题。另外，对于性能是否优秀，不同的应用评价常会不同。在一种应用中是优秀的性能，完全可能在另一种应用中不被重视。例如，工作持久性，远洋船希望能 20 年，而导弹则只需要几分钟。

3 3 )妖魔躲在细节里。许多设想要等到真正实际制造使用，才会接触到细节，才能知道是否适宜推广。磁悬浮列车就是一个例子。理论上来说，极其美好：列车靠磁力悬浮在空中，没有与地面的摩擦力。但实际制造了，才感到造价昂贵而推广不易。

4 4 )新技术不一定能取代老技术。例如，火車牵引机車，最早出现的是蒸汽机车，约 1825 年;后来出现的是电力机车，约 1840 年;然后才是内燃机车，约 1920年。现在，蒸气机车基本退出了使用，尽管内燃机车也还在大量使用，但现在高速列14车又全是电力驱动。再如，汽油发动机是 1883 年发明的。而柴油发动机是 9 年之后才发明的，多年来一直由于出力大，备受青睐，胜利进军，在船舶、卡车、移动工程机械上几乎是唯一的动力源，在轿车上也与汽油机平分天下。然而，据德国联邦环境保护部最近的报告，柴油机在德国是细微颗粒 PM10 和 NO 2 的主要排放源，因此备受责难。在德国，满足 E5 排放标准的柴油机轿车在 2015 年还允许投放市场，在 2017 年已被禁止进入斯图加特市市区，慕尼黑、科隆等城市也都在准备采取类似措施 [7] 。汽车工业在哀叹，柴油发动机的寿命岌岌可危了。所以，宣称发明了一种神器，可以取代全部现有的液压元件，那是幼稚，是不了解液压技术的博大精深，应用广泛而复杂。

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