控制工程下的對(duì)伺服系統(tǒng)研究

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摘要：根據(jù)目前行業(yè)內(nèi)人們對(duì)伺服控制及伺服系統(tǒng)在認(rèn)識(shí)上的一些混亂與偏差，進(jìn)行了初步的原因剖析。基于伺服技術(shù)產(chǎn)生的背景，從自動(dòng)控制的角度給出了伺服系統(tǒng)的普遍而簡潔的定義，并對(duì)實(shí)際伺服系統(tǒng)界定標(biāo)準(zhǔn)提出一種參考意見。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；隨動(dòng)控制；交流伺服；液壓伺服

近年來，在機(jī)電一體化、自動(dòng)化領(lǐng)域中，伺服技術(shù)是人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用也成為了一種時(shí)髦。但不得不說，雖然很多行業(yè)與工業(yè)技術(shù)門類都已經(jīng)涉及伺服問題，但人們對(duì)伺服技術(shù)與伺服系統(tǒng)的認(rèn)知還是有一定的局限性甚至是很混亂的，這在企業(yè)基層表現(xiàn)得尤為突出。擬對(duì)當(dāng)下的一些認(rèn)知混亂現(xiàn)象及根源做一些分析，然后給出對(duì)于伺服控制與伺服系統(tǒng)的一點(diǎn)個(gè)人見解。

1“伺服系統(tǒng)”的一些認(rèn)知亂象及根源

當(dāng)前伺服技術(shù)已經(jīng)滲透到機(jī)電一體化及自動(dòng)化領(lǐng)域的許多方面，各類精密數(shù)控加工機(jī)床、高檔工業(yè)機(jī)器人、現(xiàn)代化兵器裝備、某些高端醫(yī)療設(shè)備等等均有所謂“位置伺服技術(shù)”、“速度伺服技術(shù)”的廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)實(shí)中被如此廣泛應(yīng)用且影響巨大的一門技術(shù)，人們對(duì)它的的了解與認(rèn)識(shí)卻存在很大反差。這主要表現(xiàn)在：（1）不少相關(guān)工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場，人們對(duì)“伺服”、“伺服系統(tǒng)”的內(nèi)涵理解并不到位，常常有現(xiàn)場人員將設(shè)備驅(qū)動(dòng)元件是否采用所謂伺服電機(jī)、液壓伺服馬達(dá)作為該設(shè)備是否具備伺服品質(zhì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)；（2）部分人認(rèn)為凡是沒有精確定位能力的自動(dòng)控制系統(tǒng)就不能算是伺服系統(tǒng)；（3）各種教科書、技術(shù)交流資料、技術(shù)文件（包括產(chǎn)品說明書）、網(wǎng)絡(luò)信息資料、甚至期刊論文上對(duì)“伺服系統(tǒng)”、“伺服控制”的定義幾乎沒有統(tǒng)一的表述，各說各話十分混亂。何以會(huì)出現(xiàn)這種亂象呢？筆者認(rèn)為主要有以下方面的原因：（1）基于PMSM（正弦波三相永磁同步電動(dòng)機(jī)）的當(dāng)代交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)影響力非常大，是當(dāng)今高性能電伺服驅(qū)動(dòng)的主流，這是毋容置疑的。但對(duì)于我國來講交流伺服驅(qū)動(dòng)是泊來技術(shù)。世紀(jì)八十年代改革開放后，中國大量引進(jìn)的歐、美、日技術(shù)及裝備，其中包含交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。對(duì)不少中國企業(yè)來講，對(duì)相關(guān)技術(shù)的消化吸收與改進(jìn)大部分是滯后的。究其原因，一方面是在當(dāng)時(shí)大的時(shí)代背景下，許多企業(yè)經(jīng)營自負(fù)盈虧，經(jīng)濟(jì)效益是首位的，引進(jìn)的東西需要立竿見影“生蛋”，除非國家有特別安排，自行吸收、改進(jìn)相關(guān)技術(shù)并非當(dāng)務(wù)之急；另一方面也受到國外知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的制約，不可能得到完整詳盡的技術(shù)背景材料；特別是在很多技術(shù)（比如交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)）快速發(fā)展的階段，中國正處于十年動(dòng)亂舉國停滯時(shí)期，中國是完全錯(cuò)失了參與機(jī)會(huì)的，因?yàn)檎麄€(gè)沒有相關(guān)研發(fā)過程的經(jīng)歷，即使想快速消化吸收、改進(jìn)也顯得力有不逮。由此，全面的“拿來主義”、全盤照搬與山寨成了當(dāng)時(shí)的“路線正確”。（2）另一方面，伺服技術(shù)源于自動(dòng)控制理論這是不爭的事實(shí)。國內(nèi)自動(dòng)控制理論研究與控制技術(shù)的應(yīng)用推廣其實(shí)并不算很晚。

早在上世紀(jì)六十年代，以中科院關(guān)肇直為首的一批中國數(shù)學(xué)工作者就已經(jīng)開展了現(xiàn)代控制理論的研究與應(yīng)用，且頗具成效。但當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)（包括伺服技術(shù)）在國內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域多是國防高科技領(lǐng)域，由相關(guān)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用而催生的知識(shí)傳播受眾面窄，影響有限。當(dāng)時(shí)雖然對(duì)伺服理論及技術(shù)已經(jīng)有所了解，但主要限于高層研究人員和一些有技術(shù)保密要求的科研單位和企事業(yè)單位，這些理論與技術(shù)也不會(huì)推廣普及到一般工業(yè)領(lǐng)域，多數(shù)理工科高校教科書也很少著墨進(jìn)行介紹。由此絕大部分工業(yè)企業(yè)中（特別是一些非國防軍工企業(yè)）人們對(duì)伺服與伺服技術(shù)可以說是一知半解或一無所知，當(dāng)歐美日的產(chǎn)品大量涌入后，相關(guān)技術(shù)概念就成為那個(gè)年代人們對(duì)伺服及伺服系統(tǒng)的“第一印象”、“啟蒙認(rèn)知”。再加上前面（1）所提到的一些短視行為，人們對(duì)伺服技術(shù)在消化吸收應(yīng)用過程中并未著力追根溯源重建相關(guān)的科學(xué)認(rèn)知，只要?dú)W系或日系伺服產(chǎn)品當(dāng)時(shí)使用了什么名詞術(shù)語，采用了什么規(guī)范守則，國內(nèi)一些引進(jìn)使用過相關(guān)技術(shù)的企業(yè)就全部沿用，奉為準(zhǔn)則，行業(yè)內(nèi)沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法，更甭談制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由此導(dǎo)致目前的混亂自然無可避免。

2伺服控制與伺服技術(shù)的發(fā)展

伺服技術(shù)雖然萌芽于古代，但伺服理論與技術(shù)的快速發(fā)展卻是在二十世紀(jì)上半葉，戰(zhàn)爭期間，在一些特殊的裝備上需要?jiǎng)印㈧o態(tài)性能俱佳的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，基于當(dāng)時(shí)已初步成型的經(jīng)典控制理論，這首先在液壓驅(qū)動(dòng)中得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)人們把這些性能優(yōu)異的液壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)戲稱“伺服系統(tǒng)”。戰(zhàn)后重建階段，轉(zhuǎn)化成戰(zhàn)斗力的技術(shù)又快速轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，伺服技術(shù)自然不例外地在除軍工以外的很多工業(yè)領(lǐng)域中迅猛地推廣發(fā)展起來，涉及機(jī)械、化工、能源、汽車、航空航天等等方面的運(yùn)動(dòng)控制與過程控制技術(shù)問題。戰(zhàn)后伺服技術(shù)的進(jìn)展除了液壓伺服技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)與推廣外，最突出的是電伺服技術(shù)的快速發(fā)展與進(jìn)步。不過在二十世紀(jì)五、六十年代，無論是調(diào)速還是定位，幾乎清一色以有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，尤其以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)最為突出。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展水平及交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能控制的難度，當(dāng)時(shí)電伺服是直流一統(tǒng)天下，“直流伺服調(diào)速”幾乎成了那個(gè)時(shí)代電氣伺服的代名詞。這種狀況持續(xù)了近二十年，直到二十世紀(jì)七十年代初，隨著電力電子變流技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的長足進(jìn)步，特別是交流電機(jī)矢量控制技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與利用，交流伺服技術(shù)才迅猛地興旺起來，以后逐漸在很多方面取代直流，基于PMSM的交流伺服目前已經(jīng)成為電伺服驅(qū)動(dòng)的當(dāng)然主流。盡管如此，直流驅(qū)動(dòng)技術(shù)優(yōu)異的性能形成的強(qiáng)大慣性，仍然在近年發(fā)揮著作用，特別是在：兵器行業(yè)、特種裝備、新能源汽車等領(lǐng)域仍然持續(xù)的產(chǎn)生著影響。

3伺服在控制工程意義下的解讀

“伺服”一詞源于“servo”的諧音且近意的翻譯，原詞意思即“奴隸”、“仆人”之意。故此所謂“伺服系統(tǒng)”大致的意涵也就是“服從、聽話的某種裝置、裝備或工業(yè)系統(tǒng)”。但是，如何嚴(yán)格定義伺服系統(tǒng)呢？目前見諸于不少教科書及培訓(xùn)教學(xué)資料的定義有多個(gè)版本，有的較為精當(dāng)，有的則冗長含混，現(xiàn)就較為“不好”的定義給出一例：“伺服控制系統(tǒng)是以運(yùn)動(dòng)機(jī)械為最終驅(qū)動(dòng)對(duì)象，以能量轉(zhuǎn)換傳輸裝置為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求?！边@個(gè)定義摘自某培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教學(xué)PPT，其對(duì)伺服的界定狹隘偏頗，且話多意亂，代表了近年受引進(jìn)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)影響的相當(dāng)多的基層工作人員對(duì)伺服的看法。其實(shí)這也就是我前面提到過的現(xiàn)在對(duì)伺服的認(rèn)知亂象的具體體現(xiàn)，這確實(shí)需要我們正本清源、厘清相關(guān)概念。在控制工程意義下，可以很廣泛而精簡地定義伺服系統(tǒng)：所謂伺服系統(tǒng)，就是某種高品質(zhì)的跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)。在這個(gè)定義中，首先伺服系統(tǒng)必須是一種隨動(dòng)控制系統(tǒng)，即控制輸出要能跟隨控制輸入（指令）的變化，要能復(fù)現(xiàn)控制輸入（指令）的規(guī)律。更為重要的是只有系統(tǒng)控制品質(zhì)足夠高時(shí)，才能稱為伺服系統(tǒng)。這種高品質(zhì)伺服性歸納起來就是三個(gè)字“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”，即伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性要很好、（穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)）精度要很高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要很快。在這種意義下，一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)只要在“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”方面足夠優(yōu)秀，其成為伺服系統(tǒng)并非一定要采用閉環(huán)反饋的控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，為了達(dá)到這個(gè)要求，目前實(shí)際伺服系統(tǒng)大都采用了閉環(huán)反饋控制方式。

在以上的意義下，伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)中均會(huì)出現(xiàn)，所以其類型也是很多的。如以控制輸出參量的物理意義來劃分，就有屬于運(yùn)動(dòng)控制類型的位置伺服、速度伺服、加速度伺服以至于高階運(yùn)動(dòng)伺服，也有屬于過程控制系統(tǒng)的溫度伺服、流量伺服、液位伺服、壓力伺服等等。目前在各行業(yè)中應(yīng)用最多，影響最大的伺服系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)伺服，比如在各類高檔數(shù)控加工機(jī)床、高檔工業(yè)機(jī)器人、兵器裝備的火控驅(qū)動(dòng)、飛機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)、新能源汽車等等方面均涉及高性能的定位控制、調(diào)速控制，所以位置伺服、速度伺服成為主流也是必然的。然而這也導(dǎo)致了一部分人認(rèn)為伺服是專涉運(yùn)動(dòng)控制的，甚至于有少部分技術(shù)人員堅(jiān)稱伺服系統(tǒng)必須具備精確定位功能，即必須是位置控制系統(tǒng)，這種觀點(diǎn)應(yīng)該是不合適的。更有甚者，有極少數(shù)人只認(rèn)基于永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為伺服系統(tǒng)，不得不說這是極其狹隘的錯(cuò)誤認(rèn)知。我們必須指出，假如在化工及制藥行業(yè)中出現(xiàn)了所謂的溫度伺服控制，切莫覺得奇怪，因?yàn)檫@些溫控系統(tǒng)只要具備高品質(zhì)的隨動(dòng)控制特征它就是伺服系統(tǒng)。在一些場合，人們也以系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式來對(duì)伺服系統(tǒng)分類，就產(chǎn)生了液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)、機(jī)———電伺服系統(tǒng)、機(jī)———電———液伺服系統(tǒng)等等說法，但這種分類對(duì)系統(tǒng)的刻畫顯得籠統(tǒng)了些，在具體交流過程中最好結(jié)合以控制輸出參量的屬性分類法一起綜合表述更好。有現(xiàn)場技術(shù)員曾提出過一個(gè)有趣的問題：“為何一些機(jī)電一體化設(shè)備（如高檔數(shù)控加工機(jī)床、機(jī)電一體化專機(jī)、高檔工業(yè)機(jī)器人），人們常常稱其為伺服系統(tǒng)，但銘牌上卻從不見有伺服的字樣？伺服系統(tǒng)的界定標(biāo)準(zhǔn)是什么？”。這問題帶有一定普遍性，需要澄清。對(duì)此我們首先要明確的是，伺服是一種品質(zhì)，而非一種特定的功能。所以在銘牌上的型號(hào)名稱是表明設(shè)備功能屬性的，而設(shè)備的品質(zhì)包括伺服品質(zhì)應(yīng)該由設(shè)備的具體技術(shù)指標(biāo)來反映，不會(huì)反應(yīng)在銘牌名稱上。那么這種品質(zhì)如何確定呢？一般來講，一個(gè)系統(tǒng)如不是隨動(dòng)系統(tǒng)，就可以自動(dòng)排除它是伺服系統(tǒng)的可能。但如果一個(gè)系統(tǒng)具有隨動(dòng)控制特征，這就要看其品質(zhì)的好壞了。但對(duì)某種隨動(dòng)系統(tǒng)來講它是否具備了伺服品質(zhì)并沒有一個(gè)固定不變的精確的量值標(biāo)準(zhǔn)和界限，這個(gè)決不能刻舟求劍。在不同的歷史時(shí)期相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r下、在不同的工況及不同的用途背景下，我們所認(rèn)識(shí)的伺服系統(tǒng)并不具有相同或固定的模式、并不具備相同或固定的水平。故對(duì)一個(gè)具體的機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)來講，不能簡單的說是或不是伺服系統(tǒng)，只能在其具體的工況與用途背景下，按其具體的技術(shù)指標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與慣例，說該系統(tǒng)達(dá)到的“伺服品質(zhì)”如何（好、一般、差、喪失）。無論如何，人們對(duì)各類工業(yè)控制系統(tǒng)伺服性能的追求和改進(jìn)從過去、現(xiàn)在到將來必定是一個(gè)持續(xù)不斷動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程。

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作者：吳牮 單位：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院