1.1.2　氣動比例系統的國內外發展狀況

氣動技術的發展歷程，是從單個元件到控制系統、從單純的機械系統到機電一體化的復雜高科技產品的歷程。

近年來，氣動技術的應用已從機械、冶金、采礦等領域擴展到輕工、食品以及軍事等工業領域。它在實現生產過程的自動控制、改善勞動條件、降低生產成本、提高產品質量等方面發揮了很大的作用。20世紀90年代末，氣動技術突破了傳統的死區，在與計算機、電氣、傳感器、通訊等技術相結合的基礎上產生了智能氣動這一概念（氣動比例/伺服系統、智能閥島、模塊化機械手）。總之，氣動技術與微電子技術結合后，在計算機或微處理機的控制下，它的應用領域得到進一步拓寬。

隨著氣動比例技術的發展，氣動比例技術已經越來越廣泛地被應用在機器人的控制領域中。目前機器人無論在數量上還是在智能化方面都取得了很大的發展。在應用方面已經從傳統的應用領域向外擴展，航空、航天工業、電子工業和汽車工業將會成為機器人的主要應用領域，并且正在推向生活服務和軍事工業等更廣闊的領域。著名的有具有32個氣動執行器的Utah/MIT氣動機械手、從仿生學角度進行研究的FESTO公司的六足步行氣動機器人、TRON-X氣動機器人等。由于機器人或機械手都需要能快速、準確地搬運重物，因而它們必須具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度以及在任意位置都能自動定位等基本要求。但是，在一般的工業應用中，由于工作壓力比較低，氣動比例系統具有明顯的固有頻率低、阻尼小、嚴重非線性和剛度差的弱點，用傳統的控制方法和模擬調節器已經很難達到理想的控制效果，因而氣動比例系統的研究及發展也受到了很大的限制。

近年來，新的氣動元件的不斷出現，使得氣動技術的應用更加廣泛，其工作形式由原來的單純能量傳遞演變為現在的高響應高精度的開環控制或半閉環、閉環控制，專家們開始重視開發氣動比例/伺服技術并將其應用于民用工業。現在的氣動比例技術已經成功地應用于機械手定位機構、氣控的液壓泵變量系統、食品機械、包裝機械、柔性抓取機構以及機器人控制等。

圖1-1所示為典型的氣動比例/伺服控制系統。其特點是根據輸入信號，通過位移傳感器將位移信號反饋至電子控制器，經過計算，將電壓或電流信號輸出至氣動比例/伺服閥。這是典型的閉環控制系統，具有較高的控制精度和動態特性。因此簡單來講，氣動比例系統實際上就是通過電/氣轉換元件將基于微電子學的能量和基于空氣壓力的機械能相結合的機電一體化系統。

圖1-1　典型的氣動比例/伺服控制系統

世界上各工業發達國家對氣動比例/伺服控制技術的理論研究已經有相當長的時間。1979年，德國W.Back教授研制出第一個氣動伺服閥，大大推動了氣動伺服技術的發展。此后，德國、日本、美國等工業發達國家投入大量資金和人力，成功地研制出各種規格的電-氣比例閥和電-氣伺服閥以及高性能的氣缸、氣馬達。Pascal對氣壓壓力伺服系統進行了研究，并得到了滿意的結果。Lee等對電-氣控制系統的建模進行了研究。McDonell等對氣壓驅動系統在單自由度機器人中的軌跡跟蹤控制進行了研究。Ryu等對多自由度機械手進行了非線性摩擦力補償控制。Kawashima等人對氣壓伺服閥的死區特性和氣缸的摩擦特性等非線性問題，采用PDD²預測控制的復合控制方法，獲得了較好的效果。Wang等利用Festo公司由比例方向閥組成的系統進行研究，由于負載輕，達到了較高的速度，位置精度為±0.25mm。目前的研究已經涉及位置伺服控制系統、力或壓力伺服控制系統、位置和力的閉環控制、以及速度伺服控制系統，德國Festo、日本SMC和小金井氣動公司已經開發研制出氣動位置伺服控制系統。這些控制系統為氣壓伺服控制技術的推廣奠定了堅實的基礎。

我國由于氣動技術發展比較晚，對于氣動比例/伺服技術的研究要落后于其它發達工業國家。周洪博士針對電-氣比例/伺服位置控制系統的特點，設計了魯棒控制器，并對此進行了仿真和實驗研究。許宏光博士采用滑模變結構控制器策略，對VER系列2000壓力比例閥的氣動位置伺服系統進行了控制。段運波等采用壓力調節方式對氣動脈寬調制位置伺服系統進行控制，消除了氣缸活塞定位時的振蕩現象，取得了較好的實驗效果。

但是從目前來講，我國的氣動技術與國外相比還存在很大的差距，特別是在多自由度氣動比例/伺服定位技術研究方面。因此，必須跟蹤國外的先進技術，提高我國的氣動技術水平，縮短與發達國家的差距。將研究重點轉移到提高氣動比例/伺服系統的控制性能以及開發研制高性能低成本的電-氣轉換元件等方面上來。