伺服系统-第一章伺服系统设计概述
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最低跟踪角速度Ωmin 系统作匀速跟踪时所能到达的最低平稳角速度。
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
稳态指标
静误差 es 闭环控制的伺服系统，通常设计成无静差系统。 但实际系统总存在一定的静误差。
动态指标
系统对阶跃输入信号的响应特性 系统在零初始状态下，输入阶跃信号时，系
统的最大超调量σ﹪、过渡过程时间ts、振荡次
数N
系统的频域响应特性
振荡指标Mr、频带宽度ωb
负载扰动作用下系统的响应特性 系统稳态运行时，负载力矩作阶跃变化或
脉冲扰动变化时系统的动态响应特性。通常为 系统动态过程中的最大误差ef和过渡过程时间tsf 系统性能的鲁棒性要求
第一章 伺服系统设计概述
1.1 伺服系统的发展
伺服——Servo 伺服系统最早出现于20世纪初； 1934年第一次提出伺服机构（Servomechanism）这个词； 世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制
成功——火炮自动跟踪目标伺服系统； 第二次世界大战期间，由于军事上的需求，对伺服系统提出了诸如大
1.8 伺服系统设计的内容和步骤
1. 系统总体方案的初步制定
– 电气、电气-液压、电气-气动 – 步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机 – 开环、闭环、复合控制 – 模拟、数字 – 组成部分
2. 系统的稳态设计
– 执行电机、机械传动机构 – 功率放大装置 – 检测装置 – 前置放大器、信号转换线路
r(t) e(t) 电电 位位
计计
放放 大大 器器
功功率率 放放大大器器
执执行行 电电机机
减减 对对 c(t) 速速 器器 象象
例2：龙门刨床速度控制系统
例2：龙门刨床速度控制系统
+
u0 FD
CF
KZ
+
Δu
uk
ua
SM
−
−
n
+
TG
ut
−
例2：速度控制系统方框图
u0
Δu
uk
比比较较电电路路
比 较 元 件
给定元件
放大元件
执行元件
被控对象
测量元件
放大元件 将比较元件给出的偏差信号进行放大，推动执行 元件控制被控对象。
执行元件 直接推动被控对象。
校正元件 改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误 差。
1.6 伺服系统的分类
按系统组成元件的性质分类
– 电气伺服系统 – 液压伺服系统 – 电气-液压伺服系统 – 电气-气动伺服系统
放放大大器器
触触发发器器
ua
n
晶晶闸闸管管
电电动动机机
ut
测测速速发发电电机机
比 较 元 件
给定元件
放大元件
执行元件
被控对象
测量元件
给定元件 产生参考输入信号
测量元件 检测被控制的物理量
比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出 的参考量进行比较，求出它们之间的偏差，产生 反映两者差值的信号。
1.4 伺服系统的特点
精度高：如光盘的位置到微米级(在很大程度上取 决于检测装置的分辨率和精度)。
速度快：过渡过程很短，秒级甚至更小。 控制对象均在做机械运动。
1.5 伺服系统的组成
例1：仿型铣床随动系统
E r(t)
模型
e(t) 放大
减速器 c(t) 零件
功放 电动机
仿型铣床随动系统方框图
轧辊
电弧
矿渣
轧后的 钢板
军事
– 雷达天线的自动瞄准跟踪控制
– 火炮、导弹发射架的瞄准运动控制
– 防空导弹 电梯
– 船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶
计算机
– 磁盘、光盘驱动系统
– 自动绘图仪的画笔控制系统
y
1.3 伺服系统的概念
伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其 能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化 规律。
3. 建立系统的动态数学模型
稳态设计所确定的系统还不能保证满足系统动 态性能的要求。为了进行系统的动态设计，需 要建立动态数学模型——原始系统的数学模型。
4. 系统的动态设计 根据系统的动态性能要求，结合原始系统数学 模型，进行动态设计。
确定采用什么校正形式 确定校正装置线路和参数 确定校正装置在原始系统中的联接部位和联接
速度误差ev 位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴 与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输 出轴与输入轴之间的转角差。
最大跟踪误差em 系统输出轴在一定的速度和加速度范围内追随输 入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的差值。
最大跟踪角速度Ωmax 系统统所输能出达轴到平的稳最跟高随速输度入。轴，且不超过ev时，系
功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求，促使液压伺服技术迅 速发展起来。 到20世纪50年代末60年代初，有关电液伺服技术的基本理论日趋完 善，电液伺服系统的应用达到了高潮。 液压系统的固有缺点、电力电子技术的飞速发展、性能良好的新型电 机的出现、新型电机控制技术（PWM）→20世纪70年代电气伺服系 统的发展。 未来，新器件、新理论、新技术必将使伺服系统朝着“智能化”方向发 展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。
方式
5. 模拟试验 检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问 题，及时调整。
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
稳态指标
静误差 es 闭环控制的伺服系统，通常设计成无静差系统。 但实际系统总存在一定的静误差。
动态指标
系统对阶跃输入信号的响应特性 系统在零初始状态下，输入阶跃信号时，系
统的最大超调量σ﹪、过渡过程时间ts、振荡次
数N
系统的频域响应特性
振荡指标Mr、频带宽度ωb
负载扰动作用下系统的响应特性 系统稳态运行时，负载力矩作阶跃变化或
脉冲扰动变化时系统的动态响应特性。通常为 系统动态过程中的最大误差ef和过渡过程时间tsf 系统性能的鲁棒性要求
第一章 伺服系统设计概述
1.1 伺服系统的发展
伺服——Servo 伺服系统最早出现于20世纪初； 1934年第一次提出伺服机构（Servomechanism）这个词； 世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制
成功——火炮自动跟踪目标伺服系统； 第二次世界大战期间，由于军事上的需求，对伺服系统提出了诸如大
1.8 伺服系统设计的内容和步骤
1. 系统总体方案的初步制定
– 电气、电气-液压、电气-气动 – 步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机 – 开环、闭环、复合控制 – 模拟、数字 – 组成部分
2. 系统的稳态设计
– 执行电机、机械传动机构 – 功率放大装置 – 检测装置 – 前置放大器、信号转换线路
r(t) e(t) 电电 位位
计计
放放 大大 器器
功功率率 放放大大器器
执执行行 电电机机
减减 对对 c(t) 速速 器器 象象
例2：龙门刨床速度控制系统
例2：龙门刨床速度控制系统
+
u0 FD
CF
KZ
+
Δu
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SM
−
−
n
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TG
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例2：速度控制系统方框图
u0
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比比较较电电路路
比 较 元 件
给定元件
放大元件
执行元件
被控对象
测量元件
放大元件 将比较元件给出的偏差信号进行放大，推动执行 元件控制被控对象。
执行元件 直接推动被控对象。
校正元件 改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误 差。
1.6 伺服系统的分类
按系统组成元件的性质分类
– 电气伺服系统 – 液压伺服系统 – 电气-液压伺服系统 – 电气-气动伺服系统
放放大大器器
触触发发器器
ua
n
晶晶闸闸管管
电电动动机机
ut
测测速速发发电电机机
比 较 元 件
给定元件
放大元件
执行元件
被控对象
测量元件
给定元件 产生参考输入信号
测量元件 检测被控制的物理量
比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出 的参考量进行比较，求出它们之间的偏差，产生 反映两者差值的信号。
1.4 伺服系统的特点
精度高：如光盘的位置到微米级(在很大程度上取 决于检测装置的分辨率和精度)。
速度快：过渡过程很短，秒级甚至更小。 控制对象均在做机械运动。
1.5 伺服系统的组成
例1：仿型铣床随动系统
E r(t)
模型
e(t) 放大
减速器 c(t) 零件
功放 电动机
仿型铣床随动系统方框图
轧辊
电弧
矿渣
轧后的 钢板
军事
– 雷达天线的自动瞄准跟踪控制
– 火炮、导弹发射架的瞄准运动控制
– 防空导弹 电梯
– 船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶
计算机
– 磁盘、光盘驱动系统
– 自动绘图仪的画笔控制系统
y
1.3 伺服系统的概念
伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其 能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化 规律。
3. 建立系统的动态数学模型
稳态设计所确定的系统还不能保证满足系统动 态性能的要求。为了进行系统的动态设计，需 要建立动态数学模型——原始系统的数学模型。
4. 系统的动态设计 根据系统的动态性能要求，结合原始系统数学 模型，进行动态设计。
确定采用什么校正形式 确定校正装置线路和参数 确定校正装置在原始系统中的联接部位和联接
速度误差ev 位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴 与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输 出轴与输入轴之间的转角差。
最大跟踪误差em 系统输出轴在一定的速度和加速度范围内追随输 入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的差值。
最大跟踪角速度Ωmax 系统统所输能出达轴到平的稳最跟高随速输度入。轴，且不超过ev时，系
功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求，促使液压伺服技术迅 速发展起来。 到20世纪50年代末60年代初，有关电液伺服技术的基本理论日趋完 善，电液伺服系统的应用达到了高潮。 液压系统的固有缺点、电力电子技术的飞速发展、性能良好的新型电 机的出现、新型电机控制技术（PWM）→20世纪70年代电气伺服系 统的发展。 未来，新器件、新理论、新技术必将使伺服系统朝着“智能化”方向发 展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。
方式
5. 模拟试验 检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问 题，及时调整。