控制工程下的對伺服系統研究

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摘要：根據目前行業內人們對伺服控制及伺服系統在認識上的一些混亂與偏差，進行了初步的原因剖析。基于伺服技術產生的背景，從自動控制的角度給出了伺服系統的普遍而簡潔的定義，并對實際伺服系統界定標準提出一種參考意見。

關鍵詞：伺服系統；隨動控制；交流伺服；液壓伺服

近年來，在機電一體化、自動化領域中，伺服技術是人們關注的熱點之一，伺服系統的應用也成為了一種時髦。但不得不說，雖然很多行業與工業技術門類都已經涉及伺服問題，但人們對伺服技術與伺服系統的認知還是有一定的局限性甚至是很混亂的，這在企業基層表現得尤為突出。擬對當下的一些認知混亂現象及根源做一些分析，然后給出對于伺服控制與伺服系統的一點個人見解。

1“伺服系統”的一些認知亂象及根源

當前伺服技術已經滲透到機電一體化及自動化領域的許多方面，各類精密數控加工機床、高檔工業機器人、現代化兵器裝備、某些高端醫療設備等等均有所謂“位置伺服技術”、“速度伺服技術”的廣泛應用。但現實中被如此廣泛應用且影響巨大的一門技術，人們對它的的了解與認識卻存在很大反差。這主要表現在：（1）不少相關工業企業現場，人們對“伺服”、“伺服系統”的內涵理解并不到位，常常有現場人員將設備驅動元件是否采用所謂伺服電機、液壓伺服馬達作為該設備是否具備伺服品質的唯一標準；（2）部分人認為凡是沒有精確定位能力的自動控制系統就不能算是伺服系統；（3）各種教科書、技術交流資料、技術文件（包括產品說明書）、網絡信息資料、甚至期刊論文上對“伺服系統”、“伺服控制”的定義幾乎沒有統一的表述，各說各話十分混亂。何以會出現這種亂象呢？筆者認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機）的當代交流伺服驅動技術影響力非常大，是當今高性能電伺服驅動的主流，這是毋容置疑的。但對于我國來講交流伺服驅動是泊來技術。世紀八十年代改革開放后，中國大量引進的歐、美、日技術及裝備，其中包含交流伺服驅動技術。對不少中國企業來講，對相關技術的消化吸收與改進大部分是滯后的。究其原因，一方面是在當時大的時代背景下，許多企業經營自負盈虧，經濟效益是首位的，引進的東西需要立竿見影“生蛋”，除非國家有特別安排，自行吸收、改進相關技術并非當務之急；另一方面也受到國外知識產權保護的制約，不可能得到完整詳盡的技術背景材料；特別是在很多技術（比如交流伺服驅動技術）快速發展的階段，中國正處于十年動亂舉國停滯時期，中國是完全錯失了參與機會的，因為整個沒有相關研發過程的經歷，即使想快速消化吸收、改進也顯得力有不逮。由此，全面的“拿來主義”、全盤照搬與山寨成了當時的“路線正確”。（2）另一方面，伺服技術源于自動控制理論這是不爭的事實。國內自動控制理論研究與控制技術的應用推廣其實并不算很晚。

早在上世紀六十年代，以中科院關肇直為首的一批中國數學工作者就已經開展了現代控制理論的研究與應用，且頗具成效。但當時的控制技術（包括伺服技術）在國內的應用領域多是國防高科技領域，由相關技術研發應用而催生的知識傳播受眾面窄，影響有限。當時雖然對伺服理論及技術已經有所了解，但主要限于高層研究人員和一些有技術保密要求的科研單位和企事業單位，這些理論與技術也不會推廣普及到一般工業領域，多數理工科高校教科書也很少著墨進行介紹。由此絕大部分工業企業中（特別是一些非國防軍工企業）人們對伺服與伺服技術可以說是一知半解或一無所知，當歐美日的產品大量涌入后，相關技術概念就成為那個年代人們對伺服及伺服系統的“第一印象”、“啟蒙認知”。再加上前面（1）所提到的一些短視行為，人們對伺服技術在消化吸收應用過程中并未著力追根溯源重建相關的科學認知，只要歐系或日系伺服產品當時使用了什么名詞術語，采用了什么規范守則，國內一些引進使用過相關技術的企業就全部沿用，奉為準則，行業內沒有一個統一的說法，更甭談制定一個統一的標準，由此導致目前的混亂自然無可避免。

2伺服控制與伺服技術的發展

伺服技術雖然萌芽于古代，但伺服理論與技術的快速發展卻是在二十世紀上半葉，戰爭期間，在一些特殊的裝備上需要動、靜態性能俱佳的位置隨動系統，基于當時已初步成型的經典控制理論，這首先在液壓驅動中得以實現，當時人們把這些性能優異的液壓位置隨動系統戲稱“伺服系統”。戰后重建階段，轉化成戰斗力的技術又快速轉化成生產力，伺服技術自然不例外地在除軍工以外的很多工業領域中迅猛地推廣發展起來，涉及機械、化工、能源、汽車、航空航天等等方面的運動控制與過程控制技術問題。戰后伺服技術的進展除了液壓伺服技術的繼續演進與推廣外，最突出的是電伺服技術的快速發展與進步。不過在二十世紀五、六十年代，無論是調速還是定位，幾乎清一色以有刷直流電動機驅動為主，尤其以他勵直流電動機的調速技術最為突出。限于當時的技術發展水平及交流電動機實現高性能控制的難度，當時電伺服是直流一統天下，“直流伺服調速”幾乎成了那個時代電氣伺服的代名詞。這種狀況持續了近二十年，直到二十世紀七十年代初，隨著電力電子變流技術以及微型計算機應用技術的長足進步，特別是交流電機矢量控制技術的發現與利用，交流伺服技術才迅猛地興旺起來，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成為電伺服驅動的當然主流。盡管如此，直流驅動技術優異的性能形成的強大慣性，仍然在近年發揮著作用，特別是在：兵器行業、特種裝備、新能源汽車等領域仍然持續的產生著影響。

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”大致的意涵也就是“服從、聽話的某種裝置、裝備或工業系統”。但是，如何嚴格定義伺服系統呢？目前見諸于不少教科書及培訓教學資料的定義有多個版本，有的較為精當，有的則冗長含混，現就較為“不好”的定義給出一例：“伺服控制系統是以運動機械為最終驅動對象，以能量轉換傳輸裝置為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的自動控制系統。這類系統控制電動機、液壓馬達等的轉矩、轉速和轉角，準確地實現工作機械的運動要求。”這個定義摘自某培訓機構的教學PPT，其對伺服的界定狹隘偏頗，且話多意亂，代表了近年受引進交流伺服驅動技術影響的相當多的基層工作人員對伺服的看法。其實這也就是我前面提到過的現在對伺服的認知亂象的具體體現，這確實需要我們正本清源、厘清相關概念。在控制工程意義下，可以很廣泛而精簡地定義伺服系統：所謂伺服系統，就是某種高品質的跟蹤隨動系統。在這個定義中，首先伺服系統必須是一種隨動控制系統，即控制輸出要能跟隨控制輸入（指令）的變化，要能復現控制輸入（指令）的規律。更為重要的是只有系統控制品質足夠高時，才能稱為伺服系統。這種高品質伺服性歸納起來就是三個字“穩、準、快”，即伺服系統穩定性要很好、（穩態、動態）精度要很高、動態響應要很快。在這種意義下，一個隨動控制系統只要在“穩、準、快”方面足夠優秀，其成為伺服系統并非一定要采用閉環反饋的控制結構。當然，為了達到這個要求，目前實際伺服系統大都采用了閉環反饋控制方式。

在以上的意義下，伺服系統在運動控制系統、過程控制系統中均會出現，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，就有屬于運動控制類型的位置伺服、速度伺服、加速度伺服以至于高階運動伺服，也有屬于過程控制系統的溫度伺服、流量伺服、液位伺服、壓力伺服等等。目前在各行業中應用最多，影響最大的伺服系統為運動控制系統伺服，比如在各類高檔數控加工機床、高檔工業機器人、兵器裝備的火控驅動、飛機作動系統、新能源汽車等等方面均涉及高性能的定位控制、調速控制，所以位置伺服、速度伺服成為主流也是必然的。然而這也導致了一部分人認為伺服是專涉運動控制的，甚至于有少部分技術人員堅稱伺服系統必須具備精確定位功能，即必須是位置控制系統，這種觀點應該是不合適的。更有甚者，有極少數人只認基于永磁同步電動機（PMSM）的交流伺服驅動系統為伺服系統，不得不說這是極其狹隘的錯誤認知。我們必須指出，假如在化工及制藥行業中出現了所謂的溫度伺服控制，切莫覺得奇怪，因為這些溫控系統只要具備高品質的隨動控制特征它就是伺服系統。在一些場合，人們也以系統的驅動、傳動方式來對伺服系統分類，就產生了液壓伺服系統、電氣伺服系統、氣動伺服系統、機———電伺服系統、機———電———液伺服系統等等說法，但這種分類對系統的刻畫顯得籠統了些，在具體交流過程中最好結合以控制輸出參量的屬性分類法一起綜合表述更好。有現場技術員曾提出過一個有趣的問題：“為何一些機電一體化設備（如高檔數控加工機床、機電一體化專機、高檔工業機器人），人們常常稱其為伺服系統，但銘牌上卻從不見有伺服的字樣？伺服系統的界定標準是什么？”。這問題帶有一定普遍性，需要澄清。對此我們首先要明確的是，伺服是一種品質，而非一種特定的功能。所以在銘牌上的型號名稱是表明設備功能屬性的，而設備的品質包括伺服品質應該由設備的具體技術指標來反映，不會反應在銘牌名稱上。那么這種品質如何確定呢？一般來講，一個系統如不是隨動系統，就可以自動排除它是伺服系統的可能。但如果一個系統具有隨動控制特征，這就要看其品質的好壞了。但對某種隨動系統來講它是否具備了伺服品質并沒有一個固定不變的精確的量值標準和界限，這個決不能刻舟求劍。在不同的歷史時期相應的基礎技術發展狀況下、在不同的工況及不同的用途背景下，我們所認識的伺服系統并不具有相同或固定的模式、并不具備相同或固定的水平。故對一個具體的機電隨動系統來講，不能簡單的說是或不是伺服系統，只能在其具體的工況與用途背景下，按其具體的技術指標或行業標準與慣例，說該系統達到的“伺服品質”如何（好、一般、差、喪失）。無論如何，人們對各類工業控制系統伺服性能的追求和改進從過去、現在到將來必定是一個持續不斷動態發展的過程。

參考文獻

[1]吳牮.電氣傳動技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2017.

[2]姚曉先.伺服系統設計[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]錢平.伺服系統[M].北京：機械工業出版社，2011.

作者：吳牮 單位：重慶電子工程職業學院