《流体传动与控制》课件第10章

第10章现代流体传动发展概述10.1水压传动技术的重新崛起10.2人工智能在流体传动中的应用10.3风力发电领域的流体传动技术

10.1水压传动技术的重新崛起

用海水或淡水取代传统矿物油作为工作介质的水液压技术因其具有不燃烧、无污染、响应快和使用维修方便等突出优点，符合国家安全生产、环境保护和可持续发展的要求，特别适用于冶金、矿山、医药、食品加工业、海洋开发以及海军装备等民军和军用部门。液压技术源于发现帕斯卡定律的1605年，自那时起，液压传动装置一直以水作为工作介质，由于其密封问题加之电气传动技术的竞争，曾一度导致液压技术停滞不前。此种局面直至1906年美国在海军炮塔仰俯液压装置中首次以油代替水作为工作介质才被打破。液压工作介质的这一历史性变化、耐油橡胶的出现及制造技术的进步，逐步解决了早期水压传动装置中包括密封问题在内的一系列技术难题，从而使液压技术进入了迄今为止主要以矿物型液压油为工作介质的油压传动时代。然而，油压传动存在着污染环境、易燃烧、浪费能源的严重问题，在一定程度上限制了其发展与应用。随着科学技术的进步，人类环保、能源危机意识的提高，促使人们重新认识和研究以纯水作为工作介质的纯水液压传动技术。近20年来，水压传动技术在理论研究与应用上都得到了持续稳定的复苏和发展，并逐渐成为现代液压传动技术中的热点技术和新的发展方向之一。水压传动与油压传动相比，其优点主要体现在以下几方面:

(1)由于不使用任何添加剂，液压系统废水可以直接排放到海洋，即使泄漏也不会对海洋环境带来任何污染或危害,符合环保要求，有利于海洋生态环境保护，具有与环境相容性的特点。

(2)由于水深压力可自动补偿,且水下作业不用水箱和回水管,大大简化了海水液压传动系统，使任意深度的水下作业的海水泵具有很好的稳定可靠性。

(3)经济方便。海水取之不尽、用之不竭，无须加工提炼、维护及处理,使用成本极低,还能保护石油资源，既经济又方便。

(4)海水是不可燃物,不存在火灾危险,安全性很强。

(5)因海水体积弹性模量高、黏温指数高，海水黏度极低，沿程流动损失小，有利于机器在不同水深条件下工作及远程动力传输，因此海水液压系统的控制特性很好。

海水液压传动也具有如下缺点:

(1)海水的润滑性差，其黏度大约为液压油的1/20～1/40,液体润滑膜很难形成于运动摩擦副对偶面上，完全可能导致对偶表面的直接接触，形成干摩擦或边界摩擦。

(2)由于海水中的微细砂粒等外界污染物和内部磨屑的侵入，进入摩擦副间隙而产生摩削作用，可造成两体摩擦或三体摩擦，会加剧磨损，增加摩擦损失，增大泵内部泄漏，降低泵整体容积效率，缩短使用寿命。10.1.1水压传动研究现状

1.国外研究现状

自20世纪60年代末以来，美国、英国、日本、德国、丹麦等西方经济发达国家一直非常注重海水液压传动技术的研究。

（1）美国于20世纪60年代末开始研究海洋水下液压作业工具。1980年，海军司令部等部门联合研制出叶片马达；1984年，研制出海水液压传动水下作业工具系统。1991年，美国研制成功了水压冲击钻和圆盘锯，组成水下作业工具系统，交付给海军水下工程队使用。（2）南非也是从事水压传动研究较早的国家之一。20世纪70年代后期开始研制水压凿岩机；1990年，研制成乳化液凿岩机，稍后又研制出平持式纯水凿岩机，且成本较低。

（3）1983年，日本的川崎研究所研制成功了用于6km深潜调查船浮力调节的超高压海水柱塞泵，最高压力可达63MPa，流量为6～9L／min；1987年，研制成功了用于65km深潜调查船超高压海水柱塞泵，其最高压力为68.5MPa，流量为5L／min，寿命达到200h。

（4）1995年，德国的Hauhinco机械厂研制成功了淡水径向柱塞泵陶瓷阀芯的水压滑阀产品。（5）芬兰的Tampere大学等联合开发研制成功了用于内燃机喷射控制器、造纸、水切割等动力源的海水轴向柱塞泵和马达。1996年。Tampere大学又成功研制出了比例流量控制纯水液压系统。

（6）1989年，丹麦Danfoss公司等开始研究纯水液压元件；1994年，联合研制出Nesie系列淡水轴向柱塞泵、马达等。但在早期阶段，因当时海水液压元件的选材受到限制，多为金属材料(包括合金),在海水润滑条件下，金属对偶摩擦副的摩擦磨损性能有限，使得研究工作进展缓慢；到20世纪80年代后期,海水液压元件面临的摩擦磨损与腐蚀两大关键技术难题因高分子材料和工程陶瓷等新型工程材料先后应用于实际工程而得以解决,海水液压传动技术研究取得历史性的突破，由海水液压驱动的各种开发海洋的机器设备相继研制开发成功并投入市场应用。

目前，能反映国际海水液压技术发展的最高水平，最具代表意义的中高压海水液压泵依次是英国的Fenner海水液压泵、芬兰的Hytaroy海水液压泵、日本的Komatsu和Kayaba海水液压泵，以及德国的Hauhinco海水液压泵。来自我国华中理工大学电液控制工程及自动化研究所的学者杨曙东、李壮云对上述五种各具特点及优势的海水液压泵进行了深入研究，通过分析其主要技术性能、结构形式及关键对偶摩擦副的选材等,指出它们的主要共性特点如下:

(1)采用有利于控制密封间隙的柱塞式结构,因海水黏度低而引起的泄漏问题得到解决。

(2)选用陶瓷/高分子复合材料、陶瓷/陶瓷或特种耐蚀合金/高分子复合材料组合,解决了关键对偶摩擦副的磨损、腐蚀、气蚀和润滑等关键基础技术问题。

(3)全部采用完全与海洋环境相容的海水润滑,使天然海水作为液压介质的各种优越性得到充分发挥。

(4)工作时浸没在海洋中,泵的压力可根据海洋环境水深进行自动补偿，无须另外增加压力补偿设计。

(5)运用动、静压支承原理,可有效克服海水自身润滑性能差的缺陷,泵的工作效率得到极大提高。

2.国内研究现状

我国的水压传动技术的研究及应用尚处在起步阶段，在该领域进行研究的主要有华中科技大学和浙江大学等著名高校。

浙江大学的流体传动及控制国家重点实验室在研制纯水液压元件的同时，自行设计(芬兰HytarOy公司制作)了一套纯水液压试验系统。该系统的纯水液压泵采用端面配流结构，柱塞数为9，斜盘倾角15°。其主要技术指标是:额定压力为14MPa，流量为100L／min，功率为32kW，额定转速为1500r／min，工作介质为自来水，工作温度为3～400°C，其容积效率约80%。华中科技大学的液压气动技术研究中心是国内最早开展水压传动技术及其基础理论研究工作的单位。经过二十余年的不懈努力，相继研制出多种结构形式和多种型号的海(淡)水液压泵(马达)，华中科技大学海水泵研究成果汇总如表10－1所示。表10－1华中科技大学海水泵研究情况汇总表二十多年来，我国在海水液压传动技术领域的研究内容如图10－1所示，主要集中在如何优化泵的结构，使柱塞副、摩擦副的结构进一步改善，科学选择关键摩擦副材料和配流副等方面，并有效解决了海水液压泵腐蚀、泄漏、摩擦磨损、气蚀等核心技术难题。图10－1现代水压传动的研究内容10.1.2水压传动的发展

随着世界经济的不断发展，日渐耗竭了地球上储备有限的各种矿产资源，油压传动面临着能源危机带来的巨大挑战。此外，人类掠夺性开发资源引起生态环境日益恶化，环保问题、可持续发展及控制污染成为全球性难题，油压传动与当今社会倡导的“绿色设计、绿色制造”时代潮流相悖。因此，海水液压传动再次受到人们的关注。

纯水液压泵在世界工业领域起着越来越大的作用，它已经成为液压传动领域新的重要发展方向之一。有专家预计纯水液压传动在今后将占整个世界液压行业的10%。丹麦工业大学也给出了今后纯水液压传动和油液液压传动的发展趋势，如图10－2所示。图10－2纯水液压与油压传动的发展趋势比较 10.2人工智能在流体传动中的应用

10.2.1研究进展

流体传动及控制技术不仅能有效地传递能量，并且能控制和分配能量。液压和气动控制由于其典型的非线性、低阻尼、时变特性以及无法得到精确的数学模型,用经典的PID控制往往不能得到满意的效果。为了得到准确的快速响应，各种控制策略被广泛研究。中科院北京自动化研究所的盛万兴等研究了基于神经模糊混合技术的电液伺服系统控制问题。它构造了一种神经模糊控制器，其具有知识自动获取、并行分布存储及快速模糊推理决策的能力，并给出了一种在线学习，用于一类典型的电液伺服系统的控制,获得了满意的效果。东北大学的何洪、孙威等用记忆神经网络及脉宽调制进行液压系统的油温控制，得到了满意的控制精度。山东大学的刘延俊等将基于BP网络的PID控制方法用于气动位置比例系统的控制，设计实现了用微机控制的比例阀及无杆气缸缓冲定位系统。实验表明，该控制方法具有较强的鲁棒性，可以在不同工况下实现对气缸活塞的缓冲与定位。经典控制方法再加上许多现代控制技术后也获得了较好的效果。例如，PID型的迭代学习控制器用于电液位置控制系统，其性能明显优于PID控制器。西北工业大学的张兴国等在传统的增量式积分分离PI控制算法的基础上，引入D型迭代学习控制前馈环节,提高了电流跟踪的快速性和跟踪精度，建立了系统的数学模型并在MATLAB上进行了系统仿真。其仿真结果表明，引入D型迭代学习控制后，电流环的稳态和动态特性良好，保证了输出电流跟踪的快速性和精确性。10.2.2人工智能在流体传动中的工程应用

与常规的控制方法相比,智能控制最显著的特点首先在于它不依赖于被控对象的精确模型,其次在于它具有自学习功能,可以在运行过程中对自身进行不断的修正和完善。因此,智能控制提供了解决“黑箱”、“灰箱”或大型非线性系统的有利工具。绝大部分流体传动系统是本质非线性系统或“灰箱”系统,时变参数很多。智能控制的发展，为解决这些问题开辟了一条很好的途径。

(1)用神经网络辨识流体传动系统的模型。

大型流体传动系统的数学模型很难建立，“软参数”对系统的影响也很难估计，所以大型流体传动系统的建模一直是个难题。利用神经网络建模是一种很好的手段。从理论上说，这种方法只要能够得到系统输入和输出的足够多的样本，利用神经网络的学习能力，总能建立起对象模型。对大多数系统来说，获得输入输出样本是比较方便的，而在理论上，已经解决了神经网络的非线性逼近问题。因此，利用神经网络可以建立流体传动系统的完整模型，从而为系统的仿真分析和控制奠定了基础。

(2)实时控制。

用智能控制方法实现流体传动系统实时控制的例子很多。例如，用模糊控制来克服液压机械手非线性元件的影响，用神经网络的学习功能来消除软参数的影响，以及用模糊控制与PID控制结合来补偿工程机械中负载的变化等等。模糊控制比较简单，其实时性决不逊于传统的控制方法，因而被广泛应用。神经网络通常需要较长的学习周期，所以实时性要求很高的场合的应用受到了限制。随着神经网络学习算法的改进和计算机速度的提高，神经网络实时控制的应用也会增多。智能控制与传统控制的结合是相互取长补短的，神经网络与模糊控制结合应用的研究也很活跃，在液压领域也有成功应用的实例。（3）用专家系统实现流体传动系统的故障诊断。

基于专家知识建立一个知识库，用人工智能的方法建立判断规则，根据系统中实时检测的状态参数，分析系统的运行情况，预测元件的寿命，找出故障点并作相应的处理。

10.3风力发电领域的流体传动技术

10.3.1风力发电的发展

自1973年世界发生石油危机以来，风力发电从试验研究迅速发展为一个新兴的产业。20世纪90年代,由于政府对环境保护的要求日益严格，特别是要兑现减排二氧化碳等温室效应气体的承诺，风电的发展进一步受到鼓励。与此同时，风电技术经过二十多年的开发日益成熟。目前风电已经成为世界上发展最快的能源。商业化机组的单机容量从55kW增加到2500kW，风电成本从20美分/千瓦时持续下降到4美分/千瓦时，运行可靠的发电成本接近于常规火电。全球风电在近十年有极快速的进展，预计全世界风力发电将以30%~50%的速度持续增长。在风能利用的强国中，丹麦、德国与西班牙的发展最为迅速，风力发电有效地改善了这些国家的电力结构，减少了大气污染，对保护我们共同的生存家园起到了重要的作用。1999年10月5日，欧洲风能协会的一项国际能源研究报告指出，到2020年，风能可提供世界电力需求的10%，创造170万个就业机会，并在全球范围减少100多亿吨二氧化碳废气。亚洲的风电事业也蓬勃兴起,到2002年初，装机总容量达到2220MW，占世界风电装机总容量的9.1%。其中印度发展最为迅速，在短短几年时间进入世界装机总量前五名。到2006年年底风电装机容量前六位的国家如图10－3所示，中国排在第6位。图10－3到2006年年底风电装机容量前六位的国家目前，风能发电的优点有:①清洁，环境效益好；②可再生，永不枯竭；③基建周期短、投资少；④装机规模灵活；⑤技术相对成熟。其缺点有:①存在噪声、视觉污染；②要占用大片土地；③不稳定，可控性差；④对风力场的要求较高；⑤目前成本仍然很高。随着温室效应的加剧和能源危机的加深,各国纷纷加强了对新能源技术的投入，风能等相关技术也随之发展。近年来,随着新能源技术的进一步发展和普及,独立式发电系统已经得到了广泛的设置和利用,而且数量逐年增长。10.3.2风电技术的发展

大型风力发电机组一般为并网运行,向电网馈电，而小型风力发电系统多为独立运行。发电机发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池),需要时再提供给负载,并通过整流逆变装置将发电机输出的电能进行交直流变换以适应负载的需要。风力发电输出功率的大小主要取决于环境风力资源的优劣，大型风力发电装置必须选择优质的风场，而小型风力发电装置对风场的要求很低。在城市以及人口集居的地方风势较缓，小的风力发电装置会比大的更合适。因为小型风力发电装置更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能。现有的离网风电控制系统和故障预报系统在国内还处于起步阶段，大部分的风电系统还没有配备相关的控制系统和故障预报系统，目前主要依靠简单的机械原理或简单电路来实现。这样的风电系统在安全性、可靠性和智能性方面存在严重不足，会引起相关的风电设备故障和安全事故频发。因此，未来发展的目标就是开发出具有高可靠性、高安全性、智能化的风电监控系统。以新的自动调节风电系统取代现有的系统，这样的更替必将具有重大的经济效益和社会价值。10.3.3流体传动储能风电机的应用

流体传动储能风电机的原理是叶轮带动流体泵运转，泵出的流体通过管路输送，配置储压包，使流体能量的输出趋于平稳，带有压力的流体将驱动马达转动，流体马达带动发电机转动。而马达容易实现增速、调速以及稳定转速的功能，可以保证发电机的恒速恒频运转。因此，保证入网的风电与电网的同频同相等要求将容易实现，并网的稳定性得到保证，并网难题将会解决。风电机的性能应该是低风速满载，高风速卸载，并配置储能装置。流体传动是柔性传动，不怕过载，结构简单，寿命长，对大幅降低成本和降低故障率有绝对的优势，同时可以远距离传送和储能。储能装置可以克服风能的波动性和间歇性，无论高风速还是低风速都能储能发电，保证输出风电的稳定性。流体传动可以采用液体和气体作为介质，其中采用压缩空气储能成本最低，具有应用推广价值。直观地讲，新型流体传动储能风电机就是用流体传动取代了双馈机型齿轮箱的刚性传动，解决了齿轮箱传动故障率高的问题；另一方面解决了直驱机型中直驱电机体积过大、用铜量高、稀土用量大和制造成本高的问题。同时省掉并网装置，采用三相同步发电机直接发电上网，保证了并网的稳定性。

流体传动风电机是国外重点研发的前沿技术。我国也有企业进行了流体传动风电机的研究和开发。流体传动可大幅降低风电成本、降低维护费用，在新能源领域是一个很好的发展方向。我们应该积极进行流体传动储能风电机的研究和探索，开发出新型的流体传动储能风电机技术，为我国的风电产业注入新的活力。新型流体传动储能风电机组将大量应用在低风速分布式小型风电场的建设上，也可与大型风电机配套使用，大幅提高风电场的发电效率；由于具有抗台风功能，因此适合在沿海经济发达地区开发小型风电场；同时适合在中小企业建立独立的风电供电源，为企业节能减排贡献力量。未来中小型储能风电机组将会很普及。总之，新型流体传动储能风电机将在我国开发陆地和沿海风电场的建设中贡献巨大的力量，也将促进我国风电产业健康快速发展。

1.解决核心控制系统复杂的问题

控制系统是风电技术的核心技术，目前主要依赖进口。风电机工作环境复杂恶劣，风电机控制系统无论从硬件还是从软件来讲都有较高要求。首先，硬件在恶劣的自然环境中的侵蚀影响，使精度不易保证，工作动态稳定性差、工作时间长对寿命的影响也很大，因此控制系统硬件要求比一般系统要高。其次，软件要保证运行安全和实现智能化，要根据二、三维数据实现不同的控制策略，有效地实现自动控制，适应各种运行状态；风电机控制系统的主要任务是功率控制，控制变桨系统和偏航系统实现在较低风速下最大捕获风能、在中等风速下的稳定运行和在较大风速下的稳定并网及防止过载运行；控制系统的研发需要经过长期的试验数据积累，而且其各项参数的设定与风电机本身和运行环境都紧密联系，非一朝一夕之功，国内企业要完全自主掌握仍需一定时间。

2.降低故障率，实现免维护

现有大型风电机故障率高，维护费用高也是造成风电成本高的主要因素。新型流体传动风电机可以大幅降低故障率，首先风机头的结构变得非常简单，只由叶片、主轴和流体泵构成，运动的主要部件只有流体泵，而泵的结构很简单，主要结构就是缸体和活塞，不容易出现故障，而且通过限压阀就可以避免风电机出现过载破坏。叶轮带动流体泵转动，叶片产生的冲击载荷也会被吸收，化解风的破坏力。所以，对于流体传动风电机来讲，过载的情况是不存在的，出现故障的概率也很低，可以实现免维护，这种优良性能对于长期运行在野外的、维护非常困难的风电机具有重大意义。

3.保证输出功率的稳定

大型风电机由于发电量大，必须并网运行。电网对入网的风电有着极其严格的技术指标，入网的风电必须能够满足电网的稳频、稳压和稳相要求。解决风能波动性和间歇性的有效措施是增加储能装置，利用储能装置起到削峰填谷的作用，保证风电的稳定输出。新型流体传动储能风电机将使并网变得非常简单，每台风机只需将流体通过管路输送到地面的总储压包和储能装置，储能装置保持恒压输出，连接流体马达带动发电机恒速恒频稳定发电。发电机可采用同步励磁发电系统，直接发电上网，可以采取690V低压和10kV高压发电机组两种供电方式，省掉了变流器并网装置。如果采用10kV并网发电，则可直接对110kV电网输电，还能省去传统机型的箱式变压器，从而实现了大幅度降低并网综合成本的目的。

4.可控性好，可解决并网难题

大规模风电机并网是一个世界性难题，这是由风能的特性和风电机的性能决定的。比如在德国，绝大多数风电场装机容量小于50000kW，当风速和风向变化很大时，风电机不稳定，不能满足并网条件，此时风电机可以随时脱网；风电机稳定后，又可以随时入网，不会对电网造成太大的冲击。我国目前不但面临严峻复杂的并网难题，而且每个风电基地都有若干个小风电场，每个风电场的机型都不一样，给统一调控造成了一定困难。此外，电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，比如风电基地中有双馈机型和直驱机型，电网中肯定有谐波和杂波，若直驱机型按电网取样进行变流，有可能造成相位和频率的漂移，使输出的风电质量变差，造成电网的兼容性越来越差，给并网造成更大的困难。最大的调控难题就是风电场的规模太大，现有风电场的规模已达几百万千瓦，风有波动性和间歇性，风电场的功率就有可能从零升高到几万千瓦到百万千瓦，这样大的波动电流使电网的调峰异常困难，甚至是不可能实现的。要保证风电场发电量的稳定输出，必须控制每一台风电机的稳定输出。要解决风能的波动性就必须配置储能装置，流体储能装置结构最简单、成本低，适合大量配置，并可以实现灵活调控。因此，大力发展新型流体传动储能风力发电机是解决大规模风电机并网的最可行方案。

5.采用组合方式，提高运行效率

由于叶片越来越长会造成风电机的发电效率降低及风电机的高故障率及输出风电的不稳定，造成维护费用高和并网的难题，所以，单机大功率、大叶片不应该成为发展方向，而应该采用组合的方式提高发电效率，大幅降低故障率。流体传动可以充分发挥组合的优势，流体传动的优点是可以远距离传送能量，可以采用几十个甚至上百个风机进行组合，每个风机的功率在十几千瓦左右，塔架的高度为30～40m，这样可以大幅度减小风机头受到的风载，避免风的破坏性。从成本上来讲，每个风机只由气泵和叶片构成，成本很低，大量配置仍然低于现有风电机的成本，而且经过集中储能后，发电设备的成本会大幅降低，并可以提高风机的运行效率，降低维护费用。所以，流体传动风电机可以通过组合实现大功率发电，可以达到几百万瓦到数千万瓦以上，并在降低故障率和提高发电效率方面具有优势。

6.优良的抗台风能力

新型抗台风储能风电机具有优良的抗台风性能，采用全新结构和原理进行设计。