伺服控制系統

伺服控制系統是一種能對試驗裝置的機械運動按預定要求進行自動控制的操作系統。 ^[2]  在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。

衡量伺服控制系統性能的主要指標系統精度、穩定性、響應特性、工作頻率四大方面，特別在頻帶寬度和精度方面。

頻帶寬度簡稱帶寬，由系統頻率響應特性來規定，反映伺服系統的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行機構的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統的帶寬小於15赫，大型設備伺服系統的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀70年代以來，由於發展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統實現了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達到50赫，併成功應用在遠程導彈、人造衞星、精密指揮儀等場所。伺服系統的精度主要決定於所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統中必須採用高精度的測量元件，如精密電位器、自整角機和旋轉變壓器等。此外，也可採取附加措施來提高系統的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸通過減速器與轉軸相連，使轉軸的轉角得到放大，來提高相對測量精度。採用這種方案的伺服系統稱為精測粗測系統或雙通道系統。通過減速器與轉軸齧合的測角線路稱精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。

機電一體化的伺服控制系統的結構,類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統一般包括控制器,被控對象,執行環節,檢測環節,比較環節等五部分。 ^[3] 

比較環節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環節,通常由專門的電路或計算機來實現。

控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執行元件按要求動作。

執行環節的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉化成機械能,驅動被控對象工作.機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構等。

機械參數量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

檢測環節是指能夠對輸出進行測量並轉換成比較環節所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種.

(1)按被控量參數特性分類.

(2)按驅動元件的類型分類.

伺服控制系統按所用控制元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統（液壓控制系統） 和氣動伺服系統。

(3)按控制原理分類.

伺服系統可分為開環控 制伺服系統、閉環控制伺服系統和半閉環控制伺服系統。

常見的四種伺服控制系統如下：

(1) 液壓伺服控制系統

液壓伺服控制系統是以電機提供動力基礎，使用液壓泵將機械能轉化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作，完成各種設備不同的動作需要。液壓伺服控制系統按照偏差信號獲得和傳遞方式的不同分為機-液、電-液、氣-液等,其中應用較多的是機-液和電-液控制系統。按照被控物理量的不同,液壓伺服控制系統可以分為位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、壓力控制和其他物理量控制等。液壓控制系統還可以分為節流控制(閥控)式和容積控制(泵控)式。在機械設備中,主要有機-液伺服系統和電-液伺服系統。 ^[4] 

(2) 交流伺服控制系統

交流伺服控制系統包括基於異步電動機的交流伺服系統和基於同步電動機的交流伺服系統。除了具有穩定性好、快速性好、精度高的特點外，具有一系列優點。它的性能指標可以從調速範圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。

(3) 直流伺服控制系統

交流伺服控制系統的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用於這種系統，因此，它憑藉控制簡單，調速性能優異，在數控機牀的進給驅動中曾佔據着主導地位。

(4) 電液伺服控制系統

它是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構組成的反饋控制系統。最常見的有電液位置伺服系統、電液速度控制系統和電液力(或力矩)控制系統。

以上是我們常用到的四種伺服系統，他們的工作原理和性能以及可以應用的範圍都有所區別，各有自己的特點和優缺點。因此在選擇或者購買的時候，就需要根據系統的需要以及需要控制的參數和實現的性能，通過計算後在選擇合適的產品。

1.系統精度

伺服系統精度指的是輸出量復現輸入信號要求的精確程度,以誤差的形式表現,可概括為動態誤差,穩態誤差和靜態誤差三個方面組成。

2.穩定性

伺服系統的穩定性是指當作用在系統上的干擾消失以後,系統能夠恢復到原來穩定狀態的能力;或者當給系統一個新的輸入指令後,系統達到新的穩定運行狀態的能力。

3.響應特性

響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度,決定了系統的工作效率.響應速度與許多因素有關,如計算機的運行速度,運動系統的阻尼和質量等。

4.工作頻率

工作頻率通常是指系統允許輸入信號的頻率範圍.當工作頻率信號輸入時,系統能夠按技術要求正常工作;而其它頻率信號輸入時,系統不能正常工作。

伺服控制系統最初用於船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，後來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車牀、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。

採用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的：

① 以小功率指令信號去控制大功率負載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

② 在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位於遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動。

③ 使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。