伺服控制：基本概念解析

关于伺服控制的定义，不同教材有不同的解释，这里只列举几种，读者可以通过参考比较得到最优的理解。

（1）伺服控制是实现电信号到机械运动的转换装置或部件，以位移、速度、加速度、力和力矩等参数为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，所以伺服控制是一种以机械参数作为被控量的自动控制系统。

（2）伺服控制也称随动控制，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。

大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服控制是一种反馈控制系统。根据反馈控制理论，伺服控制的工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的过渡过程。这种系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，并与给定值比较，根据给定值与检测值得到的偏差信号对被控对象进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪给定信号。

伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。一般来说，其基本组成包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置四大部分，如图6-1所示。

1）控制器

控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PID（比例、积分、微分）控制和最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。

2）功率放大器

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图6-1 伺服系统的组成

伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要由各种电力电子器件组成。

3）执行机构

执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。液压伺服机构包括液压马达、脉冲液压缸等。

4）检测装置

检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。伺服传动系统中，用来检测位置量的装置有：自整角机、旋转变压器和光电码盘等；用来检测速度信号的装置有：测速发电机、光电码盘等。鉴于检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。对检测装置的要求除了精度高之外，还要求线性度好、可靠性高、响应快等。

大多数伺服系统是具有检测回路的反馈控制系统，通常仍采用传统的经典控制理论来进行分析和设计。随着计算机性能的不断提高，现代控制理论得到了更加广泛的应用，伺服系统的控制手段也向着模糊控制、神经网络等更加智能化的方向发展。