控制工程下的对伺服系统研究

摘要：根据目前行业内人们对伺服控制及伺服系统在认识上的一些混乱与偏差，进行了初步的原因剖析。基于伺服技术产生的背景，从自动控制的角度给出了伺服系统的普遍而简洁的定义，并对实际伺服系统界定标准提出一种参考意见。

关键词：伺服系统；随动控制；交流伺服；液压伺服

近年来，在机电一体化、自动化领域中，伺服技术是人们关注的热点之一，伺服系统的应用也成为了一种时髦。但不得不说，虽然很多行业与工业技术门类都已经涉及伺服问题，但人们对伺服技术与伺服系统的认知还是有一定的局限性甚至是很混乱的，这在企业基层表现得尤为突出。拟对当下的一些认知混乱现象及根源做一些分析，然后给出对于伺服控制与伺服系统的一点个人见解。

1“伺服系统”的一些认知乱象及根源

当前伺服技术已经渗透到机电一体化及自动化领域的许多方面，各类精密数控加工机床、高档工业机器人、现代化兵器装备、某些高端医疗设备等等均有所谓“位置伺服技术”、“速度伺服技术”的广泛应用。但现实中被如此广泛应用且影响巨大的一门技术，人们对它的的了解与认识却存在很大反差。这主要表现在：（1）不少相关工业企业现场，人们对“伺服”、“伺服系统”的内涵理解并不到位，常常有现场人员将设备驱动元件是否采用所谓伺服电机、液压伺服马达作为该设备是否具备伺服品质的唯一标准；（2）部分人认为凡是没有精确定位能力的自动控制系统就不能算是伺服系统；（3）各种教科书、技术交流资料、技术文件（包括产品说明书）、网络信息资料、甚至期刊论文上对“伺服系统”、“伺服控制”的定义几乎没有统一的表述，各说各话十分混乱。何以会出现这种乱象呢？笔者认为主要有以下方面的原因：（1）基于PMSM（正弦波三相永磁同步电动机）的当代交流伺服驱动技术影响力非常大，是当今高性能电伺服驱动的主流，这是毋容置疑的。但对于我国来讲交流伺服驱动是泊来技术。世纪八十年代改革开放后，中国大量引进的欧、美、日技术及装备，其中包含交流伺服驱动技术。对不少中国企业来讲，对相关技术的消化吸收与改进大部分是滞后的。究其原因，一方面是在当时大的时代背景下，许多企业经营自负盈亏，经济效益是首位的，引进的东西需要立竿见影“生蛋”，除非国家有特别安排，自行吸收、改进相关技术并非当务之急；另一方面也受到国外知识产权保护的制约，不可能得到完整详尽的技术背景材料；特别是在很多技术（比如交流伺服驱动技术）快速发展的阶段，中国正处于十年动乱举国停滞时期，中国是完全错失了参与机会的，因为整个没有相关研发过程的经历，即使想快速消化吸收、改进也显得力有不逮。由此，全面的“拿来主义”、全盘照搬与山寨成了当时的“路线正确”。（2）另一方面，伺服技术源于自动控制理论这是不争的事实。国内自动控制理论研究与控制技术的应用推广其实并不算很晚。

早在上世纪六十年代，以中科院关肇直为首的一批中国数学工作者就已经开展了现代控制理论的研究与应用，且颇具成效。但当时的控制技术（包括伺服技术）在国内的应用领域多是国防高科技领域，由相关技术研发应用而催生的知识传播受众面窄，影响有限。当时虽然对伺服理论及技术已经有所了解，但主要限于高层研究人员和一些有技术保密要求的科研单位和企事业单位，这些理论与技术也不会推广普及到一般工业领域，多数理工科高校教科书也很少着墨进行介绍。由此绝大部分工业企业中（特别是一些非国防军工企业）人们对伺服与伺服技术可以说是一知半解或一无所知，当欧美日的产品大量涌入后，相关技术概念就成为那个年代人们对伺服及伺服系统的“第一印象”、“启蒙认知”。再加上前面（1）所提到的一些短视行为，人们对伺服技术在消化吸收应用过程中并未着力追根溯源重建相关的科学认知，只要欧系或日系伺服产品当时使用了什么名词术语，采用了什么规范守则，国内一些引进使用过相关技术的企业就全部沿用，奉为准则，行业内没有一个统一的说法，更甭谈制定一个统一的标准，由此导致目前的混乱自然无可避免。

2伺服控制与伺服技术的发展

伺服技术虽然萌芽于古代，但伺服理论与技术的快速发展却是在二十世纪上半叶，战争期间，在一些特殊的装备上需要动、静态性能俱佳的位置随动系统，基于当时已初步成型的经典控制理论，这首先在液压驱动中得以实现，当时人们把这些性能优异的液压位置随动系统戏称“伺服系统”。战后重建阶段，转化成战斗力的技术又快速转化成生产力，伺服技术自然不例外地在除军工以外的很多工业领域中迅猛地推广发展起来，涉及机械、化工、能源、汽车、航空航天等等方面的运动控制与过程控制技术问题。战后伺服技术的进展除了液压伺服技术的继续演进与推广外，最突出的是电伺服技术的快速发展与进步。不过在二十世纪五、六十年代，无论是调速还是定位，几乎清一色以有刷直流电动机驱动为主，尤其以他励直流电动机的调速技术最为突出。限于当时的技术发展水平及交流电动机实现高性能控制的难度，当时电伺服是直流一统天下，“直流伺服调速”几乎成了那个时代电气伺服的代名词。这种状况持续了近二十年，直到二十世纪七十年代初，随着电力电子变流技术以及微型计算机应用技术的长足进步，特别是交流电机矢量控制技术的发现与利用，交流伺服技术才迅猛地兴旺起来，以后逐渐在很多方面取代直流，基于PMSM的交流伺服目前已经成为电伺服驱动的当然主流。尽管如此，直流驱动技术优异的性能形成的强大惯性，仍然在近年发挥着作用，特别是在：兵器行业、特种装备、新能源汽车等领域仍然持续的产生着影响。

3伺服在控制工程意义下的解读

“伺服”一词源于“servo”的谐音且近意的翻译，原词意思即“奴隶”、“仆人”之意。故此所谓“伺服系统”大致的意涵也就是“服从、听话的某种装置、装备或工业系统”。但是，如何严格定义伺服系统呢？目前见诸于不少教科书及培训教学资料的定义有多个版本，有的较为精当，有的则冗长含混，现就较为“不好”的定义给出一例：“伺服控制系统是以运动机械为最终驱动对象，以能量转换传输装置为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的自动控制系统。这类系统控制电动机、液压马达等的转矩、转速和转角，准确地实现工作机械的运动要求。”这个定义摘自某培训机构的教学PPT，其对伺服的界定狭隘偏颇，且话多意乱，代表了近年受引进交流伺服驱动技术影响的相当多的基层工作人员对伺服的看法。其实这也就是我前面提到过的现在对伺服的认知乱象的具体体现，这确实需要我们正本清源、厘清相关概念。在控制工程意义下，可以很广泛而精简地定义伺服系统：所谓伺服系统，就是某种高品质的跟踪随动系统。在这个定义中，首先伺服系统必须是一种随动控制系统，即控制输出要能跟随控制输入（指令）的变化，要能复现控制输入（指令）的规律。更为重要的是只有系统控制品质足够高时，才能称为伺服系统。这种高品质伺服性归纳起来就是三个字“稳、准、快”，即伺服系统稳定性要很好、（稳态、动态）精度要很高、动态响应要很快。在这种意义下，一个随动控制系统只要在“稳、准、快”方面足够优秀，其成为伺服系统并非一定要采用闭环反馈的控制结构。当然，为了达到这个要求，目前实际伺服系统大都采用了闭环反馈控制方式。

在以上的意义下，伺服系统在运动控制系统、过程控制系统中均会出现，所以其类型也是很多的。如以控制输出参量的物理意义来划分，就有属于运动控制类型的位置伺服、速度伺服、加速度伺服以至于高阶运动伺服，也有属于过程控制系统的温度伺服、流量伺服、液位伺服、压力伺服等等。目前在各行业中应用最多，影响最大的伺服系统为运动控制系统伺服，比如在各类高档数控加工机床、高档工业机器人、兵器装备的火控驱动、飞机作动系统、新能源汽车等等方面均涉及高性能的定位控制、调速控制，所以位置伺服、速度伺服成为主流也是必然的。然而这也导致了一部分人认为伺服是专涉运动控制的，甚至于有少部分技术人员坚称伺服系统必须具备精确定位功能，即必须是位置控制系统，这种观点应该是不合适的。更有甚者，有极少数人只认基于永磁同步电动机（PMSM）的交流伺服驱动系统为伺服系统，不得不说这是极其狭隘的错误认知。我们必须指出，假如在化工及制药行业中出现了所谓的温度伺服控制，切莫觉得奇怪，因为这些温控系统只要具备高品质的随动控制特征它就是伺服系统。在一些场合，人们也以系统的驱动、传动方式来对伺服系统分类，就产生了液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统、机———电伺服系统、机———电———液伺服系统等等说法，但这种分类对系统的刻画显得笼统了些，在具体交流过程中最好结合以控制输出参量的属性分类法一起综合表述更好。有现场技术员曾提出过一个有趣的问题：“为何一些机电一体化设备（如高档数控加工机床、机电一体化专机、高档工业机器人），人们常常称其为伺服系统，但铭牌上却从不见有伺服的字样？伺服系统的界定标准是什么？”。这问题带有一定普遍性，需要澄清。对此我们首先要明确的是，伺服是一种品质，而非一种特定的功能。所以在铭牌上的型号名称是表明设备功能属性的，而设备的品质包括伺服品质应该由设备的具体技术指标来反映，不会反应在铭牌名称上。那么这种品质如何确定呢？一般来讲，一个系统如不是随动系统，就可以自动排除它是伺服系统的可能。但如果一个系统具有随动控制特征，这就要看其品质的好坏了。但对某种随动系统来讲它是否具备了伺服品质并没有一个固定不变的精确的量值标准和界限，这个决不能刻舟求剑。在不同的历史时期相应的基础技术发展状况下、在不同的工况及不同的用途背景下，我们所认识的伺服系统并不具有相同或固定的模式、并不具备相同或固定的水平。故对一个具体的机电随动系统来讲，不能简单的说是或不是伺服系统，只能在其具体的工况与用途背景下，按其具体的技术指标或行业标准与惯例，说该系统达到的“伺服品质”如何（好、一般、差、丧失）。无论如何，人们对各类工业控制系统伺服性能的追求和改进从过去、现在到将来必定是一个持续不断动态发展的过程。

参考文献

[1]吴牮.电气传动技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2017.

[2]姚晓先.伺服系统设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]钱平.伺服系统[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者：吴牮 单位：重庆电子工程职业学院