宋錦春，倪 克，張 凱

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 液壓技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及引入雙語教學(xué)的必要性

液壓比例控制是液壓技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的工程實(shí)用技術(shù)，以自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用電子、機(jī)械、液壓與計(jì)算機(jī)等手段實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)物理量（參數(shù)）的自動(dòng)控制。傳統(tǒng)的液壓控制方式是開關(guān)型控制，這是迄今為止用得最多的一種控制方式。它通過電磁驅(qū)動(dòng)或手動(dòng)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)液壓介質(zhì)的通、斷和方向控制，從而實(shí)現(xiàn)被控對象的機(jī)械化和自動(dòng)化操作[1-2]。但是這種方式無法實(shí)現(xiàn)對流量、壓力連續(xù)地按比例地控制，同時(shí)控制的速度也比較低、精度差、換向時(shí)沖擊比較大，因此在許多場合下的應(yīng)用受到了限制。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于以飛機(jī)、火炮等軍事裝備為對象的控制系統(tǒng)，要求快速響應(yīng)、高精度等高性能，在這個(gè)背景下電液伺服控制得到了迅速發(fā)展[3-4]。這種控制方式可根據(jù)輸入信號(hào)（如電流）的大小連續(xù)地、按比例地改變液流的流量、壓力和方向，克服開關(guān)型控制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高性能的控制要求。

20世紀(jì)60年代電液伺服控制日趨成熟，迅速向民用工業(yè)推廣。但是，由于液壓伺服系統(tǒng)元件的制造精度要求很高、成本昂貴等不利因素，限制了該技術(shù)更為廣泛的普及應(yīng)用。對于一般工業(yè)應(yīng)用中對控制精度與響應(yīng)速度等要求不是很高的系統(tǒng)，電液比例控制技術(shù)因?yàn)榫哂袑τ鸵何廴静幻舾?、維護(hù)簡單、成本低廉等優(yōu)勢，獲得了越來越普遍的應(yīng)用。

電液比例閥是介于開關(guān)型的液壓閥與伺服閥之間的一種液壓元件。與電液伺服閥相比，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉、抗污染能力強(qiáng)。除了在控制精度及響應(yīng)快速性方面不如伺服閥外，其它方面的性能和控制水平與伺服閥相當(dāng)，其動(dòng)、靜態(tài)性能足以滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求。與傳統(tǒng)的液壓控制閥比較，雖然價(jià)格較貴，但由于其良好的控制水平而得到補(bǔ)償。

電液比例控制的主要優(yōu)點(diǎn):操作方便，容易實(shí)現(xiàn)遙控；自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)編程控制；工作平穩(wěn)，控制精度較高；結(jié)構(gòu)簡單，使用元件較少，對污染不敏感；系統(tǒng)的節(jié)能效果好。

比例技術(shù)的發(fā)展大致可以劃分為三個(gè)階段：

第一階段：

1967年比例復(fù)合閥的出現(xiàn)標(biāo)志著液壓比例技術(shù)的誕生。這一階段，主要是以比例型電--機(jī)械變換器，例如比例電磁鐵、伺服電機(jī)、動(dòng)圈式力矩馬達(dá)等取代普通液壓閥中的手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和普通電磁鐵，實(shí)現(xiàn)電液比例控制。

第二階段：

從1975年到1980年，比例技術(shù)進(jìn)入發(fā)展的第二階段，比例器件普遍采用了各種內(nèi)反饋回路，同時(shí)研制了耐高壓的比例電磁鐵，與之配套的比例放大器也日趨成熟，在性能上有了較大提高。

第三階段：

20世紀(jì)80年代以來，比例技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，比例閥的性能如滯環(huán)減小、頻寬大幅提高。比例技術(shù)同插裝技術(shù)結(jié)合，出現(xiàn)了二通、三通比例插裝閥?，F(xiàn)在有些比例閥已把傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復(fù)合在一起，使得結(jié)構(gòu)更緊湊，性能進(jìn)一步提高，使得比例控制技術(shù)被迅速、廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)控制場合。

液壓比例技術(shù)是液壓領(lǐng)域相對新興和前沿的技術(shù)，該技術(shù)的教學(xué)傳授在國內(nèi)只有少數(shù)高校進(jìn)行實(shí)踐，而形成系統(tǒng)的課件形勢的教學(xué)更少。液壓比例技術(shù)的雙語課件，目前國內(nèi)還沒有開發(fā)。液壓比例技術(shù)作為一門前沿的技術(shù)是液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，有廣泛的應(yīng)用前景。開發(fā)該技術(shù)相應(yīng)的雙語課件有著重要的實(shí)際意義，對于液壓專業(yè)學(xué)生更好地將專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐能起到關(guān)鍵作用。

“液壓比例控制技”雙語課的開發(fā)，在本專業(yè)學(xué)生學(xué)時(shí)有限而各種非專業(yè)性課程占用學(xué)時(shí)比例越來越大的背景下有著重要的實(shí)際意義。液壓比例技術(shù)本身內(nèi)容很多，以往通過“黑板+粉筆”的教學(xué)模式，以目前的16學(xué)時(shí)的教學(xué)時(shí)間來看是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。利用開發(fā)的雙語比例課件，可以提高教學(xué)節(jié)奏，將重點(diǎn)放在對知識(shí)本身的解釋闡述上，而不是花費(fèi)大量時(shí)間用于板書[5]。液壓比例技術(shù)雙語課件的開發(fā)有現(xiàn)實(shí)的技術(shù)支持。計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，我校教學(xué)硬件的提升，都為在教學(xué)環(huán)節(jié)采用課件形式提供了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。

液壓比例雙語課件突出“雙語”特色，是液壓技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)情況決定的[6-8]。液壓領(lǐng)域的新技術(shù)新成果主要在國外形成，一些高質(zhì)量的液壓元件國內(nèi)尚無能力生產(chǎn)，因此讀懂英文說明書是液壓領(lǐng)域技術(shù)人員的必要能力和工作。如在液壓比例技術(shù)領(lǐng)域，眾多新技術(shù)新產(chǎn)品都是由力士樂公司研發(fā)和生產(chǎn)的，其產(chǎn)品的說明書大都不經(jīng)過翻譯，而采用英文的方式供用戶應(yīng)用。如果沒有對液壓技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)英語的大學(xué)學(xué)習(xí)，一些專業(yè)詞匯，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將成為正確使用該類產(chǎn)品的巨大障礙。之所以本課件采用雙語模式，是因?yàn)殚_發(fā)一款“全外型”英語比例技術(shù)課件，在我們所處的非英語環(huán)境下，效果肯定不理想。而開發(fā)雙語課件，可以保證學(xué)生對本領(lǐng)域內(nèi)容達(dá)到正確快速得理解和吸收。同學(xué)通過對“液壓比例控制”的學(xué)習(xí)，對提高他們在國際場合發(fā)表專業(yè)見解，參與交流的能力，對促進(jìn)他們掌握英文專業(yè)術(shù)語和了解國外此類課程的思維方式方面，有重要的積極作用。

2 液壓比例雙語課件的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容

液壓比例雙語課件的制作目標(biāo)是通過圖片動(dòng)畫文字等多種形式，提升學(xué)生對本課程的興趣，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。幫助學(xué)生提高認(rèn)知能力，尤其是運(yùn)用認(rèn)知和策略發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題的能力。使制作的課件有顯著的教育性，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性，創(chuàng)造一個(gè)適于個(gè)體學(xué)習(xí)，啟發(fā)思維，重點(diǎn)難點(diǎn)突出的學(xué)習(xí)課件。本課件必須緊扣大綱，按照教學(xué)目標(biāo)選取課件材料和設(shè)置課件結(jié)構(gòu)。

對于本科生，比例課件既是一門新課，也是液壓伺服與傳動(dòng)內(nèi)容的綜合與總結(jié)。在組織課件材料和設(shè)計(jì)課件結(jié)構(gòu)上，要充分利用液壓比例技術(shù)與液壓伺服與傳動(dòng)技術(shù)的聯(lián)系，讓同學(xué)在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)復(fù)習(xí)和體會(huì)舊知識(shí)，最終達(dá)到融會(huì)貫通和提高興趣的效果。

一個(gè)典型的液壓比例系統(tǒng)框圖，如圖1所示。從圖中我們可以看出液壓比例系統(tǒng)是由輸入元件、比較元件、電氣放大器、液壓伺服（比例）控制閥、執(zhí)行元件、反饋元件（閉環(huán)系統(tǒng)）和控制對象這幾部分組成的。輸入元件將指令信號(hào)引入系統(tǒng)的輸入端的元件。該元件可以是機(jī)械的、電氣的、液壓的或者是其它的組合形式。比較元件將反饋測量信號(hào)和輸入信號(hào)相比較，得出偏差信號(hào)的元件。電氣放大器伺服閥與比例閥的電氣放大器，將控制系統(tǒng)的控制信號(hào)（電流或電壓）轉(zhuǎn)換成具有足夠驅(qū)動(dòng)能力（功率）的電力信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)電液伺服閥或比例閥完成控制動(dòng)作。液壓伺服（比例）閥利用電氣放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電能，通過液壓放大作用，轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能量的元件。執(zhí)行元件將控制作用施加于控制對象，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的元件，如液壓缸和液壓馬達(dá)。反饋測量元件在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)的輸出量并轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)的元件。各種類型的傳感器常用作反饋測量元件。控制對象具有被控物理量的各類生產(chǎn)設(shè)備，如機(jī)器工作臺(tái)、刀架等。以上內(nèi)容會(huì)在課件中分別得到體現(xiàn)，并交代這些組成部分之間的關(guān)系和工作流程。但由于本課件重點(diǎn)在于比例技術(shù)的教學(xué)，所以重點(diǎn)仍然在比例電磁鐵（電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件），比例電磁閥（電液轉(zhuǎn)換元件），比例容積控制（電液壓源比例調(diào)節(jié)元件），比例控制基本回路，比例放大器（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)）[9]。除此之外本雙語課件還要重點(diǎn)突出液壓比例技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的工程應(yīng)用，所以會(huì)添加本研究所的實(shí)際項(xiàng)目。

圖1 電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block Diagram of Electro-Hydraulic Proportional Closed-Loop Control System

3 液壓比例雙語課件的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)

電液比例雙語課件的設(shè)計(jì)思路采用先份后總最后應(yīng)用。所謂先分是指將構(gòu)成比例液壓技術(shù)的各個(gè)單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行分別闡述。這些技術(shù)分別是：比例電磁鐵（電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件），比例電磁閥（電液轉(zhuǎn)換元件），比例容積控制（電液壓源比例調(diào)節(jié)元件），比例控制基本回路，比例放大器（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)）[10]。上述分技術(shù)是液壓比例技術(shù)的核心，其中液壓閥是重點(diǎn)，要充分組織材料進(jìn)行闡述。

所謂總是將上述分技術(shù)融合為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，即電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。這個(gè)總的部分是連接理論學(xué)習(xí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性環(huán)節(jié)，十分重要。所謂應(yīng)用是指將我液壓所設(shè)計(jì)過的典型液壓系統(tǒng)以及其他的有代表性的液壓系統(tǒng)進(jìn)行舉例分析，我研究所設(shè)計(jì)的管擰機(jī)液壓系統(tǒng)在新課件中的展示，共從我研究所從事的項(xiàng)目中精選出8個(gè)有代表性的實(shí)際例子，這里展示的是其中的1個(gè)，如圖2所示。通過這些實(shí)際例子，闡述液壓比例技術(shù)在實(shí)際的操作過程中的具體步驟和注意事項(xiàng)，讓學(xué)生對液壓比例系統(tǒng)的開發(fā)和評(píng)價(jià)有直觀的認(rèn)識(shí)。用于展示比例技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的課件展示，如圖2所示。比例系統(tǒng)原理圖，雙語解釋一應(yīng)俱全，方便學(xué)生學(xué)習(xí)理解。

圖2 管擰機(jī)液壓系統(tǒng)的課間展示Fig.2 Course Setting Out of Tube Twisting Machine Hydraulic System

對于某一個(gè)具體的比例元件，要讓學(xué)生正確深刻了解其原理，不只要在總體結(jié)構(gòu)上保證正確，而且對于有很重要作用的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要給予清晰的描述，因?yàn)檫@些點(diǎn)是有深刻的含義的。比如液壓閥的彈簧，有的用兩個(gè)，有的用一個(gè)，這二者的區(qū)別在哪里。在動(dòng)畫方面，關(guān)注那些重要而抽象的原理，過程。很多情況這些過程只用圖片表達(dá)是很不夠的，此時(shí)用動(dòng)畫的方式模擬比例元器件或系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程，能夠讓學(xué)生深刻理解所研究的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)，從而對其工作原理有深入的把握。這里要注意的是，液壓比例器件的實(shí)際運(yùn)行過程有的是非常快的，有的頻率達(dá)到幾百赫茲，此時(shí)在闡述原理的時(shí)候可以進(jìn)行“人為放緩”的方式。原則是原理和過程必須正確，動(dòng)畫必須清晰明了，不必原原本本的將實(shí)際過程表達(dá)出來。

在文字方面，不必像書籍那樣點(diǎn)點(diǎn)滴滴都要進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)，應(yīng)該側(cè)重于提示性和重點(diǎn)難點(diǎn)突出的特性，盡量簡練。外文方面，由于液壓比例技術(shù)的發(fā)源來自于英語系國家，所以對這門技術(shù)的準(zhǔn)確理解也必須沿襲這些國家的思維和教育方式。不是說這些國家的教育有多先進(jìn)，只是說我們在引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候進(jìn)行了某些人的思路干預(yù)。所以編寫英文部分時(shí)，必須對所論述的原理，過程的專業(yè)術(shù)語，英文的邏輯方式有準(zhǔn)確的把握，在此基礎(chǔ)上才能夠?qū)崿F(xiàn)啟發(fā)思維的目的。

4 總結(jié)

近些年來學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)學(xué)時(shí)不斷減少，液壓比例技術(shù)本身兼具理論抽象性和工程實(shí)際性，而且知識(shí)點(diǎn)多知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，想要達(dá)到讓學(xué)生深刻理解本門課程并且有一定的設(shè)計(jì)能力，通過以往的“黑板+粉筆”的方式是不可能實(shí)現(xiàn)的。我研究所開發(fā)的液壓比例雙語課件經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)和授課老師多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的凝結(jié)，必將為提升本門課程的教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮關(guān)鍵性作用。面對國內(nèi)沒有同類雙語課件，而本專業(yè)所具有的國際交流性，本課件本著用英文教材的思維模式闡述液壓比例技術(shù)的原則，必將開闊學(xué)生眼界，為他們在今后的工作和學(xué)習(xí)中打下良好基礎(chǔ)。