随着科技的迅孟发展，伺服控制技术在船舶自动化控制领域中的应用也愈加广泛。
伺服阀在伺服控制技术中占有非常重要的地位，因此近些年国内外有许多学者对伺服阀控制技术进行研究。浙江工业大学阮健教授曾经对2D液压数字伺服阀作过研究，并且提出气动伺服螺旋机构等概念。本文所研究新型气动数字阀就是利用伺服螺旋机构对传统气动伺服阀进行的改进。与传统气动元件相比具有下述特点：阀芯结构进行了简化，便于生产加工；阀左腔增加了端盖阻尼腔，利于阀的动态稳定性控制。
一、结构与工作原理
图1所示数字阀的阀芯左侧台肩上有两个轴对称小孔A，阀芯右侧有两个轴对称小孔B，它们都是通过阀芯中部的通孔与压缩空气源相连通的。在阀体的阀左腔孔内壁上，开有轴对称的两个三角形螺旋槽，该螺旋槽左端延伸至阀体左端盖处，右端通往排气室与大气相通。小孔A与三角螺旋槽重叠，形成一个弓形重叠阻尼开口，即构成一个可变阻尼桥路。
从气源输入到阀体内部的压气p
s被导入小孔A处，压气再经过弓形重叠开口进入三角形螺旋槽，一路进入阀左腔，作用在阀芯的左端平衡其受力；另一路则进入排气室排入大气。与此同时，压气p
s也通过小孔B被引入阀右腔。阀芯左端部的台肩面积做成右端部台肩面积的2倍。在静态平衡条件下，如果忽略库仑摩擦力和伯努利力，那么经阻尼桥路进入阀左腔的压气的压力应该是p
s/2，阀右腔的压气压力应该是p
s。此时，阀芯处于“气动”平衡状态。当阀芯在外力作用下转动时，小孔A与三角螺旋槽的弓形重叠面积将发生变化，这将导致经过小孔A进入阻尼桥路的压气流量发生变化，此时阀左腔的压力也将偏离原平衡值，则阀芯在不平衡力的作用下产生线性移动。阀芯的线性移动使小孔A与三角螺旋槽的重叠面积再次发生变化，进而又使经过小孔A进入阻尼桥路的气体流量发生变化，使得阀左腔的压力又恢复到初始值。
二、静态特性分析
数字阀的静态特性对其本身的工作能力和性能，及对整个气动伺服系统的工作特性都有重要的影响。图1所示数字阀在步进电机驱动下，阀芯可以进行线性移动，从而实现主阀口的开启或关闭。如果阀芯在线性移动时（向左或向右）产生较大误差，就会导致主阀口无法正常开启或关闭，进而影响数字阀的正常工作。下面主要通过MATLAB软件对数字阀建模，从阀的静态漏气量和机械刚度特性两方面进行静态特性的数字仿真研究。
1、静态漏气量
当数字阀处于稳态时，阀芯台肩与阀孔之间的间隙和三角螺旋槽（截面三角形边长为a）与小孔A（半径为r）之间的弓形重叠开口都会引起压气的泄漏（如图2和图3所示），其中通过弓形重叠开口的压气泄漏量占据了主要地位。数字阀的静态漏气量会引起功率损失，但是一定量的泄漏对保持该阀的稳定性又是必须的，因为压气进、出阀左腔的平衡，可以维持阀左腔压力的恒定。
本模型在进行上述仿真试验时，弓形重叠开口高度都稳定在0.03mm左右，即当数字阀处在静平衡状态时，其静态漏气量是比较小的。
2、机械刚度特性
所谓机械刚度特性是指在静态工况下，因外干扰力（如摩擦力、气动力等）变化而引起阀芯轴向位移变化的一种特性，该特性是数字阀抵抗外界干扰力而保持位置精度的一个重要参数。图4和图5分别给出了三角螺旋槽截面边长a和小孔A的半径r对数字阀机械刚度特性影响的数字仿真结果。
从图4和图5中可以看出：三角螺旋槽的截面尺寸越小，数字阀的机械刚度就越大；小孔A半径尺寸越大，阀的机械刚度越大。
三、动态特性分析
对数字阀进行动态特性仿真分析，主要是借助MATLAB软件编程、仿真实现的。在此，着重比较数字阀左端盖是否设置阻尼腔，及端盖阻尼腔设置后阀的结构参数变化对阀动态特性的影响。
1、端盖阻尼腔的影响
图6给出了端盖阻尼腔结构尺寸对数字阀对正、负阶跃信号动态响应影响，可见：
（1）增设端盖阻尼腔后，阀动态响应过渡过程的振荡程度明显减小，阀的稳定性没有受到影响；
（2）增大端盖阻尼腔的体积，对阀正向阶跃响应稳定时间影响不大，但对反向阶跃响应稳定时间影响较大（如图6（a）所示）；
（3）连接阀左腔与端盖阻尼腔的阻尼孔的直径在本模型中应该控制在0.8mm左右（如图6（b）所示）。
2、小孔A尺寸的影响
随着小孔A尺寸的增加，阀对正向阶跃响应的过渡过程振荡加剧，但是，稳定时间有所缩短（如图7所示）。小孔A尺寸变化对阀的反向阶跃响应不会产生较大影响，这是由于本模型在稳定状态时弓形重叠开口高度较小（为0.03mm左右），小孔A半径的变化对弓形重叠面积的影响基本可以忽略。
3、三角螺旋槽尺寸的影响
阀体内壁上的三角形螺旋槽截面尺寸a对本阀稳定性的影响是至关重要的，如果截面尺寸过大，其形成的气阻太小，阀的动态响应时间缩短，但是响应过程中振荡加剧；如果截面尺寸过小，则结果相反（如图8所示）。
四、结论
该新型数字阀的阀芯具有旋转运动自由度和滑动自由度，而且这两个运动自由度之间不互相干涉，因而可以用这两个运动自由度实现双级阀的导控级和主阀功能。本阀的导控级由高低压孔及螺旋槽之间的阻力半桥构成，而主阀的开口则由阀腔内的压力差推动阀芯的轴向位移来实现。与传统的二级伺服阀相比较该
调节阀具有如下特点：
1、静态精度高。弓形高度取得小，该阀的静态轴向刚度很大，确保摩擦等干扰力队阀芯的轴向位置精度的影响很小（如图4、图5所示）；
2、结构简单，无弹性元件，尺寸小；
3、伺服螺旋机构零位泄漏量极小（如图2、图3所示）；
4、响应速度快且无超调（如图6、图7、图8所示）；
5、抗污染能力强。伺服螺旋机构的控制气路中无需任何固定阻尼小孔来保证其稳定性，且高低压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积在阀芯运动过程中总是在变化，因而污染物很难在此处堆积而发生阻塞。
参考资料
张铮，杨文平，石博强，李海鹏。MATLAB程序设计与实例应用（M）。北京：中国铁道出版社，2003。
白继平，薛召。新型船用气动数字阀动态特性仿真的MATLAB实现（J）。工程设计学报，2007（6）：215-219。
