德国亚琛工大流体传动与控制教材简介
张海平
(德国美因兹 蔡勒公司ZOELL ER 2KIPPER GmbH )
关键词：流体技术；教材；液压控制；微机应用
收稿日期:2003203210
作者简介：张海平(1947-)，男，工学博士，现主要从事车载液压系统及控制硬软件的研发。
德国亚琛工大(Technische Hochschule Aachen 直译应为亚琛工学院)其实是一所综合性大学(网页:www.rwth 2aachen.de )，始建于1870年,1875年定名为“工学院”，沿用至今。目前共有正教授约400名，科学工作者约1900人，非科学工作者约6100人，各类工作人员共约11,000人。每年入学新生约4000人,2002/03学期注册学生29,667人。2001年毕业生2085人。毕业生在校时间多数为5至7年，获硕士证书(Diplom )，有资格申请攻博。2001年获博士证书784人。
亚琛工大现设9个系，其中机械系中设有工作学、燃料、涡轮、推动技术、车辆、船舶、航空与航天、陶瓷、塑料、激光、核反应堆、热动力、纺织、黏结、电站等30个专业、55个研究所与专业教研室。2002/03学期有学生4529人，新生839人。
其中的流体动力和控制研究所(IFAS ，全称In 2stitut fuer fluidtechnische Antriebe und Steuerungen ，以下简称流技所)由巴克教授于1968年创办。2001年研究经费285万欧元(约合人民币2300万元)。现有做课程设计与毕业论文的硕士生及硕士毕业生62人，博士生23人，每年培养出4至5名博士。在德国，明文规定，获博士证书后还需要完成一篇教授资格论文才能申请大学教授职位。据巴克教授介绍，亚琛工大尚有一不成文规定：没有在工业界滚过几年是不可能得到工科教授职位的。现任所长穆任霍夫(H.Murrenhoff )教授于1983年完成博士论文，在所里任总工至1986年后，先到一美国航空技术公司任工程和营销副总裁，后在德国一著名电子机械公司任技术总裁，至1994年10月才返回该所接替巴克教授。
流技所的目标被定为：通过创造性的研究和开发，不断推进流体技术的专业领域；而把有志于此的
大学生，受训者与合格的青年工程师—博士生组合在一起，就为实现这一目标奠定了基础；进而面向实际的培训则不仅为开拓与进一步发展流体技术，也为充实他们的职业生涯作出贡献。
在流技所每个博士生手下都有若干硕士生，博士生是科研课题的实际组织者，具体科研工作往往分给
硕士生进行。
自1979年以来已有11位大陆学者在此作过学术访问或攻博。
流技所现开设以下六门课:
1.流体技术原理(液压与气动);
2.伺服液压;
3.流体技术的可移动应用;
4.流体技术中的控制技术与微机应用;
5.流体技术机械与仪器的设计;
6.润滑与压力传递介质。
第一与第二门课由穆任霍夫教授主讲，第三与第四门课由穆任霍夫教授与其他教授合开。《流体技术机械与仪器的设计》由力士乐公司的雅可普博士(G.Jacobs )等人合讲。《润滑与压力传递介质》由福克斯(Fuchs )公司的满(Mang )教授主讲。其中《流体技术原理》与《流体技术的可移动应用》是为部
分专业开的专业必修(选)课，其余四门是为对流体技术方向感兴趣的硕士生和博士生开的选修课。
本文对其中三本教材作一简介，以便读者了解亚琛工大流体动力与控制教学当前的状况。这些教材通常都是由2至3名博士生执笔的。
《流体技术原理 第一卷：液压》
《流体技术原理》是制造技术专业及设计与开发专业的专业必修课，也是能源处理技术专业、塑料技术专业、电站技术专业、轨道车辆专业及输送技术专业的专业必选课。其教科书第一卷《液压》的前身是巴克教授主编的《液压原理》94年第十版。97年由穆任霍夫教授主编的第一版问世,98年出了第二
第3期(总第99期)2003年6月 液 压 气 动 与 密 封Hyd.Pneum.&Seals
No.3(Serial No.99)
J une.,2003
版。现在使用的是由穆任霍夫教授2001年主编的第三版。第二卷《气动》的前身是巴克教授主编的《气动原理》94年第九版。现在使用的是穆任霍夫教授1999年主编的第一版。两卷一共仅讲授30学时，练习课30学时，三个学分。
《液压》[1]2001年版系32开本,403页，分5章。
在第一章“引言”(13页)中首先定义了研究对象，以一履带挖土机为例介绍了液压系统的各个组成部分。在“液压动力与控制当前的状况”一节中指出，自1970年以来，流体技术行业的增长速度明显超过整个机械制造行业，单是2000年上半年德国液压行业的总产值已达26亿马克(约100亿元人民币)，出口占49%。对液压行业的三个分支—固定液压，可移动液压与航空液压的特点作了分析。对机液电三种推动方式在力密度、中距离传输、可控性、效率、灵活性方面作了比较。对液压的一些短处—可泄漏、对污染的敏感、黏度随温度变化、可压缩、可燃、可能污染环境等一一作了介绍分析。
第二章“基本原理”(80页)。
第一节“液压静力学”介绍理想液体在线性运动与旋转运动时的基本公式。
第二节“液压动力学”介绍了连续方程及其应用、能量方程及其应用，动量方程及其在恒定流与非恒定流时的应用。
第三节“液压网络”运用电液相似性引入液容、液感、液阻等概念，分析了管道及液压缸(马达)的液感，讨论了由液压介质的可压缩性与管道弹性而导致的液容，列了一实测曲线作对比。以一个液压缸内压力在阀开启后的建立过程为例，作了解析计算，并指出，实际情况普遍要复杂得多，不能解析计算，必需借助计算机。
第四节“液压管路中的压力损失”。
第五节“作为同质振荡器的液柱”(23页)在推导了波传递方程及其解，引出了管道的输入阻抗、液压冲击后，给出了计算实例，解释了压力波的反射，介绍了圆管声波阻尼器的工作原理与阻尼曲线。
第三章“元件”(214页)。
第一节“液压介质”有37页。鉴于液压介质的选择对日益敏感的环境保护问题具有越来越大的影响，因此，除了传统的矿物油外，还详细介绍了可生物分解的及难燃的液压介质的组成与特性，并列出了抗氧化、抗磨损、减摩擦、改善黏温指数、降低凝固点、抗泡沫、去污及弥散、抗腐蚀等各种添加剂的化学成分。介绍了污染的种类、来源、影响及分级。列出了一些常见产品的关键参数。福克斯点火线圈
第二节“泵和马达”(66页)。在介绍了泵与马达的基本工作原理后，对一些市场常见的产品作了详细的解剖分析。介绍不同类型的液压缸仅用了6页。虽然离心泵不属于液压传动，但鉴于它具有噪声低、无流量脉动、不需要溢流阀等一系列优点，可作为辅助泵用于过滤、加热、冷却系统，因此特别作了介绍与分析。
第三节“阀”(59页)。分阀的构造分类、开关阀、比例与伺服阀、阀的驱动、止回阀、压力阀、流量阀、插装阀等八部分。
在导出了液动力的计算公式后，用两组曲线解释了液动力在阀开启过程中的变化。
列出了开关电磁线圈与比例电磁线圈的剖面图及力—行程曲线族以作对比。
用两组电流、电压的实测曲线解释了交直流电磁线圈不同的开关过程。
在溢流阀一节中，结合两组实测曲线解释了液动力及弹簧作用力对溢流阀压力—流量静态特性的影响，以及如何利用液动力来改善溢流阀压力—流量静态特性。
在介绍了流量调节阀的结构及工作原理后，结合实测曲线对其静态与动态特性作了深入的定性分析。
对不同形式的二通插装阀及其回路作了简单介绍。
第四节“其他元件”(52页)除介绍了油箱、冷却器、连接、蓄能器、密封件外，特别用了10页来介绍压力、流量、温度、位移等传感器与测量器的工作原理，还用照片与曲线对过滤器的作用方式、性能指标、结构特性及安装作了详细介绍。
第四章“回路”(62页)
第一节“控制原理”(8页)，归纳了液压控制的体系，解释了阻力控制与排量控制的作用原理。
第二节“泵2马达组合传动”(32页)介绍了区分不同的泵2马达组合的五个主要特征：回路(开式或是闭式)、耦合方式(直接耦合或是远距离传送)，调节(变量泵、变量马达或是组合变量)、功率输出(串联或是并联)、功率流(全液压传输或是部分液压传输)。用效率与特性曲线场解释了随压力与转速而变的功率损失。
第三节“调节”(9页)简单介绍了流量、压力、功率、位置的调节。
第四节“回路举例”(13页)简单介绍了不同类
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型的速度控制、流量调节、压力控制、同步及蓄能器回路。
第五章“附录”(23页)包括文献、换算系数、符号、索引。
与国内常见教材相比，照片、曲线，特别是实测曲线多一些。对动特性的分析未引入传递函数，仅使用分解作用图作定性分析。
《流体技术的可移动应用》
《流体技术的可移动应用》[2]是机动车专业的专业必选课。其教科书前身是巴克教授1989年主编的《机动车中的液压》,1995年穆任霍夫教授与机械系车辆研究所瓦伦托维茨(Wallentowitz)教授合作编了第二版。现在使用的是1998年新一版。讲授30学时，练习课30学时，三个学分。
该教科书系32开本,441页，分四章。每节后均有参考文献。
第一章“流体技术的可移动应用的系统化”(80页)，介绍流体技术的应用领域、对流体技术的要求、流体技术的元件、压力传递介质。
第二章“机动车中的流体技术”258页，由四节组成。
第一节“纵向运动”介绍流体技术在下述组部件中的应用：发动机的同装置、点火时间控制、润滑系统、冷却系统；机械离合器的液压驱动，液力驱动离合器；液力转速变换器、自动换挡器、机械无级变速器(CV T)的液压驱动；分传动器及刹车装置。分析了传动链中振动的产生原因与液压减振器。
第二节“横向运动”分析了不同类型的前轮转向的液压辅助系统；回路，性能与特殊部件；介绍了不同形式的四轮转向液压辅助系统；概述了博世(Bosch)公司1995年研发的行驶动态调节系统(FDR)。
第三节“竖向运动”介绍分析了不同类型的流体振动阻尼器的结构与性能曲线：单管、双管、频率可选、阻尼可调、可控、电阻液、双活塞；介绍了空气弹簧、液气弹簧与主动弹簧的原理、结构与性能；还
概述了目前尚处于研发阶段的抗晃动系统。
第四节“舒适与安全系统”介绍流体技术在轮胎气压调节器、气动离合器、车门集中闭锁系统、气动集成、车灯倾角调整、空调、座椅调节、救生气垫等中的应用。
第三章“可行驶工作机中的流体技术”(102页)
第一节“回路”分析了应用在可行驶工作机中的并行、级联、串联回路的特点。
第二节“能量供应”除介绍了固定流量系统、固定压力系统、负载敏感系统及它们的效率比较外，还单独列出了流量及压力按需分配系统。
第三节“液压行驶驱动”在介绍了液压行驶驱动的基本回路后，分析了在边工作边行驶的工作机(譬如建筑机械)中，几种充分利用发动机有限功率的行驶驱动控制方式的结构与工作原理：恒压控制、极限负载控制与自动控制。还介绍了功率合成驱动与分解驱动。
第四节“液压转向”介绍了用于履带车辆、带单转向轴车辆和带多转向轴车辆的液压转向，电液转向以及自动驾驶。
第五节“工作机液压”概述了应用在建筑机械、农业机械、提升与输送机械、环保机械、林业机械中的流体技术的特点。
第四章“可移动流体技术的发展趋势”(7页)。
第一节指出，在机动车方面，纯液压将被电控液压液力系统所取代，被动型的部件将被新型的主动型的智能化器件取代；它们将不再是独立工作，而是相互联络成一大系统；它不仅可以满足极其复杂的要求，而且可以自动识别驾驶员的愿望；车辆技术的发展将在提高舒适度的同时更注重改善安全保障系统。
中位相通的液压伺服驾驶系统将被能耗少的中位封闭系统取代。纯电辅助驾驶系统也正在研究中。
除了前轮液压辅助转向外，在一些车辆中还将应用后轮液压辅助转向，以提高行驶稳定性。
除了可调阻尼器以外，主动减震器也将是流体技术用于车辆的一个重要方面。
已在工程车辆上广泛使用的空气减震器将用于轿车。
第二节介绍了，在可移动工作机方面，今后十年的发展趋势是
—降低能耗;
—降低建造成本;
—
提高操作舒适度;
—降低环境污染;
—提高功率;
—便于维护。
工作机将通过电子控制及传感器与流体技术的结合而智能化。以区域控制网(CAN2Bus)为代表的总线技术将被更广泛的采用。液压介质污染度的在线监测，可生物分解液压介质的含水量在线监测将
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2003年6月 张海平：德国亚琛工大流体传动与控制教材简介
日益普及。
《流体技术中的控制技术与微机应用》
《流体技术中的控制技术与微机应用》[3]，现在使用的是2001年由穆任霍夫教授、传动与控制公司总裁戈代克(G oedecke,1980年在该所获博士学位)教授与奥宝(Opel)汽车公司克莱恩(K lein)博士合编的
新一版。该教材取代了巴克教授与戈代克教授合编的《控制和回路技术》第一卷97年第五版、巴克教授主编的《控制和回路技术》第二卷93年第4版及克莱恩博士编的《微机在流体技术中的应用》95年第一版。该教材32开本,280页，分六章。
第一章“引言”(3页)。
第二章“基本原理”(131页)。
第三章“控制技术”介绍控制器的分类—模拟控制器与数字控制器、波尔代数、二元逻辑结合环节。
第二节“调节技术”介绍调节器的作用、(时间)连续传递函数、(时间)连续状态空间描述、(时间)离散传递函数、(时间)离散状态空间描述、简单非线性扩展、自适应、自识别、不确定调节器—模糊逻辑与人工神经网、调节方法对比、状态量的产生—差分噪声与观察器。
第三节“硬件”介绍数字技术、集成元件和现代控制系统的组件—微处理器、数字信号处理器(DSP)、输入/出元件、计数器等。
第四节“工业通讯系统”介绍开放系统内部连接(OSI)的参考模型—物理层、数据联结层和应用层，数据通讯的顾客—服务器模型，面向消息和面向输入/出的记录，推广应用与标准，区域控制网(CAN)总线，总线互联(Interbus)，专业(Profi)总线，工业以太网。
第三章《系统规划》(63页)
第一节“控制技术”介绍控制任务的分析，控制任务的图象与表格描述，控制器的工作方法，二元控制器的设计。
第二节“搭建模型”从以下几方面展开:
如何选择模型的表述方法，在已有一定经验，或少有经验，或为理解一观察到的现象时;
如何搭建解析性模型与实验性模型;
不同类型的数学模型：分布参数模型、集中参数模型、传统的静态方程组系统;
集中参数数学模型的进一步研究：线性数学模型、非线性数学模型;
不同描述方法的实例：阀、密封圈阻力、长管。
第四章“设计工具”(58页)
第一节“计算机辅助的控制器设计”介绍两类控制器：可由继电器与气动元件组合而成的联结编程控制器(V PS)，及储存器编程控制器(SPS)，其构造、工作方式、编程、编程工具、文档编写软件被重点介绍。
第二节“数字仿真”包含下述内容：仿真的概念；流体技术系统的三种模拟方法：物理模拟，电模拟，数学模拟；数字模型的结构与组成元素的定义；积分方法：单步法、多步法；积分器的处理：集中积分、分散积分，方法的评价；数字仿真的特殊问题：累积误差、数值稳定性、刚性子系统、瞬态误差、系统变阶、初始条件的确定、步长控制。
第五章“过程综合”(12页)以一压机流水线为例，介绍如何在前章所述的技术支持下应用微机来逐步规划整个项目:
—压机规模与数量的布局;
—建模与仿真，静动态特性检查;
—调节器布置—调节的实现，预编程调节器;
—调节器的功能测试，试运转调试软件;
—联网。
第六章“附录”(12页)，文献，索引。
总的来说，笔者感觉，亚琛工大的流体传动与控制教材理论不是很多很深，但面向实际，更新较快。
欢迎指教。:zhanghp@onlinehome.de
参考文献
[1] Hubertus Murrenhoff.Grundlagen der Fluidtechnik,Teil
1:ue uerberarbeitete Auflage2001,I2
FAS.
[2] H.Murrenhoff/H.Wallentowitz.Fluidtechnik fuer mobile
Anwendungen.1.Auflage1998,IFAS,ika.
[3] H.Murrenhoff,W.-D.G oedecke u.A.K lein.Steuerung2
stechnik und Mikrorechneeranwendung in der Fluidtech2
nik.1.Auflage2001,IFAS.
编者按：从本期开始，编辑部特约张海平博士为特约撰稿人，专门介绍欧洲流体传动与控制领域的最新研究动态，请广大读者注意阅读。
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