第一章 液压伺服系统概述

第一章液压伺服系统概述
液压伺服控制是一门新兴的科学技术。

它不但是液压技术的一个重要分支，而且也是控制领域中的一个重要组成部分。

早在第一次世界大战前，液压伺服控制已开始应用于海军舰艇中，作为操舵装置。

到第二次世界大战期间及以后，由于军事的刺激，自动控制特别是武器和飞行器控制系统的研究得到进一步的发展。

液压伺服控制因响应快，精度高和功率一重量比大等特点而受到特别的重视。

特别是近几十年，由于整个工业技术的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展，促使液压伺服控制得到迅速发展。

使这门技术无论在元件和系统方面，还是在理论与应用方面都日趋完善和成熟，形成一门新兴的科学技术。

机械液压伺服控制出现较早，用在飞机上作为液压助力器，操纵飞机舵面。

40年代，首先在飞机上出现了电液伺服系统。

但该系统中的滑阀由伺服电动机驱动，作为电液转换器。

由于伺服电动机时间常数较大，限制了电液伺服系统的响应速度。

随着超音速飞机的发展，要求伺服系统反应速度越来越高，特别是像导弹控制，这就促进了快速电液伺服控制系统的产生与发展。

50年代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，力矩马达与滑阀结合，形成了电液伺服阀。

50年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高了电液伺服阀的快速性。

60年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，其性能Et趋完善。

由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到迅速的发展。

目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面。

凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经有了应用。

在国防工业中，如飞机的操纵系统、导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇的操舵装置等系统中。

在一般工业中，用于机床、冶炼、轧钢、铸锻、动力、工程机械、矿山机械、建筑机械、拖拉机、船舶等系统中。

1.1 液压伺服控制系统的组成
自动控制是用各类控制装置和仪表包括计算机代替人工，自动地、有目的地控制和操纵机器及生产设备，使生产设备的性能、机械化和自动化的水平不断提高。

实现自动控制的最基本方法是反馈控制。

液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。

在这种系统中，输出量（位移、速度、力等）能够自由地、快速而准确地复现输入量的变化规律。

与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。

液压伺服控制是自动控制领域的重要组成部分，其优点是：响应速度快、负载刚度大、控制功率大等。

输入元件——将给定值加于系统的输入端的元件。

该元件可以是机械的、电气的、液压的或者是其他的组合形式。

比较元件——将输入信号与反馈信号相比较，得出误差信号的元件。

反馈测量元件——测量系统的输出量并转换成反馈信号的元件。

各种类形的传感器常用作反馈测量元件。

放大、能量转换元件——将误差信号放大，并将各种形式的信号转换成大功率的液压能量的元件。

电气伺服放大器、电液伺服阀均属于此类元件；
执行元件——将产生调节动作的液压能量加于控制对象上的元件，如液压缸或液压马达。

控制对象——各类生产设备，如机器工作台、刀架等。

1.2 液压伺服控制系统的工作原理
液压伺服系统是利用反馈控制的基本原理将被控制对象的输出信号即输出量自动地、快速而准确地回输到系统的输入端，并与给定值进行比较形成偏差信号，以产生对被控对象的控制作用，使系统的输出量与给定值之差保持在容许的范围之内。

与此同时，输出功率被大幅度地放大。

右图是管道流量的电液伺服系统。

图1-1 管道流量电液伺服系统
1.流体管道；
2.阀板；
3.齿轮、齿条；
4.液压缸；
5.给定电位器；
6.流量传感电位器；
7.放大器；
8.电液伺服阀
在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。

反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。

用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。

控制系统常用方框图表示系统各元件之间的联系，下图给出上述实例的方框图。

图1-2 伺服系统实例的方框图
图1-3 阀控油缸闭环控制系统原理图
此图为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。

这一系统不仅使液压缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大（如负载突变）的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。

工作原理如下：在某一稳定状态下，液压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机3）并转换为电压。

这一电压与给定电位计4输入的电压信号进行比较。

其差值经积分放大器放大后，以电流输入给电液伺服阀6。

电液伺服阀按输入电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方向，控制输出油液的流量大小和方向。

对应所输入的电流，电液伺服阀的开口量稳定，伺服阀的输出流量稳定，液压缸速度保持为恒值。

如果由于干扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压，使放大器输出电流。

电液伺服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到速度达到预设值时，调节过程结束。

按照同样原理，当输入给定信号电压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变化，即输出自动跟踪输入。

通过分析图1-3伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：
（1）是反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。

在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。

自动控制系统中大多数反馈是负反馈。

（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。

执行元件运动的结果又试图消除这个误差。

但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。

（3）是放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。

其输出的能量是液压能源供给的。

（4）是跟踪系统：液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。

1.3 液压伺服控制系统的典型方框图及其分类、要求
控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能
的管理系统。

在控制领域通常用系统方框图的形式来说明控制系统。

图1-4 典型方框图的结构
主要信号说明：
1)输入信号(指令)u：来自系统成比例外部确定的或变化的信号，决定着被控量的变化规律。

2)参考输入r：由输入信号产生，并与主反馈信号进行比较的信号，r也称给定值。

3)主反馈信号b：它是被控制量的函数，并与参考输入进行比较以产生偏差信号。

4)偏差信号ε：参考输入与主反馈信号之差。

5)干扰信号f：输入信号外对系统的输出产生影响的因素，它可能来自系统外部，也可以来自系统的内部。

6)输出信号(被控制量)c：系统中变化规律需要被检测和加以控制信号。

7)误差信号e：系统的期望输出值与实际输出值之差。

分类方法
按控制要求分类：
1)自动调节系统：其输入量为常值或随时间缓慢变化，系统的主要任务是在受到干扰时，使系统的实际输出量保持或接近于期望值。

2)程序控制系统：其输入量的变化规律是事先确定的，系统将自动地使输出量尽可能准确地按事先给定的规律变化。

3)伺服系统：输入量为任意的时间函数，系统应使输出量以一定的精度跟随输入量的变化而变化，若系统的输出量是位置、速度之类的机械量，工程中通常称伺服控制系统。

按信号传递介质分类：
1)机液伺服系统：输入信号给定、反馈测量和比较均用机械构件实现。

其优
点是结构简单、工作可靠、维护简便；缺点是系统的校正及系统增益的调整都不如电的方便。

机液伺服系统一般用在响应和精度要求不是很高的场合。

绝大多数是位置控制系统。

2)电液伺服系统：偏差信号的检测、校正和初始放大等均采用电气、电子元件实现。

它们具有很大的灵活性，对信号的测量、校正、放大都比较方便。

而液压动力元件响应速度快、抗负载刚性大。

两者相结合。

使电液伺服系统具有很大的灵活性和广泛的适应性。

电液伺服系统与计算机相结合。

可以充分地运用计算机的信息处理能力。

使系统具有更复杂的功能和更广泛的适应性。

3)气液伺服系统：偏差信号的检测和初始放大均采用气动元件完成。

气动测量灵敏度高、工作可靠、可在恶劣的环境(高温、振动、易爆等)中工作，并且结构简单。

但需要有气源等附属设备。

按输出物理量分类：位置伺服系统速度伺服系统力（或压力）伺服系统按其他特征分类：
1)线性系统和非线性系统：线性系统是描述系统动态特性的数学方程为线性微分方程的一类系统，否则为非线性系统。

2)连续系统和离散系统：系统中各部分的信号均为连续的时间变量t的函数，称为连续系统，其运动特性用微分方程来描述。

若系统中的一处和某几处信号的形式是脉冲或数码，这类系统称为离散系统，离散控制系统运动特性用差分方程来描述。

3)确定系统和不确定系统：系统的结构和参数是确定和已知的，且作用于系统的输入信号(包括干扰信号)也是确定的一类系统为确定系统。

若系统本身或作用于该系统的信号不确定或模糊时，则称为不确定系统。

4)单输入单输出系统和多输人多输出系统：系统的输入和输出量各为一个称为单输入单输出系统，它只有一个主反馈信号。

若系统有多个输入和输出量，则为多输人多输出系统，也称多变量系统。

伺服系统的技术要求
机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。

1、系统精度
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，即动态误差、稳态误差和静态误差。

稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的形式反映出来，振荡的幅度和过程产生了系统的动态误差；当系统振荡衰减到一定程度以后，我们称其为稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。

2、稳定性
伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。

如果系统能够进入稳定状态，且过程时间短，则系统稳定性好；否则，若系统振荡越来越强烈，或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。

机电一体化伺服系统通常要求较高的稳定性。

3、响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。

响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼、质量等。

4、工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。

当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。

在机电一体化系统中，工作频率一般指的是执行机构的运行速度。

上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。

利用自动控制理论来研究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。

系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。

液压与气压伺服系统除具有其液压与气压传动所固有的一系列优点外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。

但是，伺服元件加工精度高，因此价格较贵；特别是液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。

随着科学技术的发展，液压与气压伺服系统的缺点将不断地得到克服。

在自动化技术领域中，液压与气压伺服控制有着广泛的应用前景。

1.4 液压伺服控制系统的发展趋势
近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提妞了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合开始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域扩展。

在这种情况下，仅采用液压控制技术已难以满足上述应用场合提出的要求，机、电、液一体化技术正是在这种背景下产生的。

70年代末至80年代初计算机控制在液压控制系统中的应用大大地提高了控制精度和工作可靠性。

为了便于使微机和电液控制系统进行接口，近年来除继续采用传统的电液伺服阀和比例阀作为电液转换与放大元件外，80年代初还出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数字阀的脉宽调制(PWM)型电液伺服系统和数字增量控制(IDC)型电液伺服系统。

近代控制策略应用现状与发展趋势
（1） PID控制
与经典控制理论相应而发展起来的控制策略以PID控制为代表。

PID控制基于系统误差的现实因素(P)、过去因素(I)、和未来因素(D)进行线性组合来确定控制量，具有结构简单易于实现等特点，至今在液压伺服控制系统中仍有着广泛的应用。

传统的PID采用线性定常组合方式，难于协调快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。

随着对系统性能要求的不断提高，传统的PID控制往往不能满足要求。

在这种情况下吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势，对传统的PID控制进行改造形成自适应PID、模糊PID、智能积分PID和非线性PID等，使其适应新的要求。

2）自适应控制(AC)
如果在设计控制系统时，不完全知道系统的参数或结构，要求一边估计未知参数，一边修正控制作用，这就是自适应控制问题。

AC可分为两大类，一类以自校正控制(STC)为代表，另一类以模型参考自适应控制(MRAC)为代表。

STC
一般适用于具有慢时变的对象调节。

液压伺服系统采用的AC大多为MRAC或其变型。

（3）变结构控制(VSC)
VSC是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构(控制律或控制器参数)，从而使系统按照滑模规定的规律进行运行的一种控制方法。

目前，液压伺服系统采用的VSC律和滑模可达条件大多针对连续系统导出，这是一种近似方法，系统存在较严重的抖动现象，并且难以用于采样周期较长的控制系统。

（4）鲁棒控制
在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，希望这时控制系统仍有良好性能，这就是鲁棒控制问题。

近年来出现了H∞设计方法，要求频率响应函数的H∞模的上确界极小。

这种方法成功地应用了经典函数论和算子理论。

在H∞模约束下已成功解决了多变量定常系统的镇定补偿问题。

Picher R.和Ponjolaineu5 S.针对电液位置伺服系统，分别采用基于混合灵敏度问题的由Glover和Doyle提出的Two-Riccati equationformula方法和基于结构奇异值优化的Doyle’s u-synthesis方法实现了H∞控制，仿真和实验表明，系统具有良好的静动态特性且对未建模动态呈现较强的鲁棒性。

Hsia T.C.基于复合控制原理提出了一种鲁棒伺服控制方法，控制器由主控制器和辅助控制器组成，主控制器根据被控对象额定工况参数按照最优控制原理设计，辅助控制器的输出取决于系统的不定性。

Jen Y.等将这种控制方案成功地用于泵控马达速度伺服系统的控制。

1.5*近代电液伺服系统的特点和对控制策略提出的要求
近代电液伺服系统的特点主要表现在:
(1)环境和任务复杂，普遍存在参数变化、外干扰和交互作用。

(2)对频宽和跟踪精度均有较高的要求，例如航空航天领域需要频宽为100Hz 的电液伺服系统，这个频宽已接近或超过液压动力机构的固有频率，按MerritH.E.的观点难于设计这类伺服系统。

(3)由于电液伺服阀节流特性和流量饱和作用引起的非线性影响已显得至关重要。

(4)各种直接式数字电液元件的非线性采样特性使得基于传统的离散系统理
论的稳定性判据和控制器设计方法难于奏效。

近代电液伺服系统由于自身的特点，对控制策略提出了如下要求:
(1)在满足稳态精度的前提下，尽量提高系统的动态特性，要求控制器能做到快速无超调地控制被控对象。

(2)对于系统参数变化、外负载干扰和交叉藕合以及非线性因素引起的不定性，控制系统应表现较强的鲁棒性。

(3)控制策略具有较强的智能。

(4)控制算法简单、实时性强。

(5)控制器给出的最大控制量能使动力机构的极限拖动能力得以充分发挥，从而使电液伺服系统具有校高的效率。