电液伺服系统与自动控制
摘要：电液伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，如机床工作台的位置、板带轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台等。为了更好的实现电液伺服系统的自动控制，人们不断地研究适合于伺服系统的新的控制算法。
关键词：电液伺服系统；自动控制；伺服阀；控制算法
前言
电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。
1 电液伺服控制系统的组成
电液伺服控制系统由液压控制、反馈测量和液压执行元件组成。一个典型的液压伺服系统有以下特征: ①是一个跟随系统, 液压缸位置由伺服阀阀芯位置确定; ②是一个放大系统, 执行元件输出的力或者功率远远大于输入信号输入的力或者功率; ③是一个闭环系统, 带反馈环节; ④是一个有误差系统, 误差随输入信号产生, 从而导致执行元件运动, 系统通过反馈力图消除误差, 如果误差消除不再产生, 则系统也就停止工作了。
2 电液伺服控制的现状与发展简介
我国的电液伺服发展水平目前还处在一个发展阶段，虽然在常规电液伺服控制技术方面，我们有了一定的发展。但在电液伺服高端产品及应用技术方面，我们距离国外发达国家的技术水平还有着很大差距。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于一体的综合性技术，要发展国内的电液伺服技术必须要从机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域同步推进。
国内液压件的整体水平目前还比较落后，主要采用橡胶密封结构方式，易老化泄漏、体积笨重、集成度低。随着机械精密加工技术的成熟，国外密封大都采用球面和锥面配合密封方式，结构简单，密封性能可靠。今后改善国内液压件结构还需要在工艺性上下功夫，需要一个系统的完善过程。作为电液转换的关键元件 “电液伺服阀”，是电液伺服控制技术今后技术提升的关键环节。电液伺服技
术行业目前与电液伺服阀生产企业缺少交流和探讨，只能简单的应用其现成产品。从某种意义上这也限制了国内电液伺服技术的发展。今后，需要加强与伺服阀生产企业的合作，共同开发适宜试验机应用的伺服阀产品，全面提升国内电液伺服技术水平。计算机技术的发展和应用，促进了电液伺服技术的提高。正是利用计算机技术才使电液伺服系统在动态仿真模拟试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由度协调控制、计算机仿真解耦技术等技术的应用和发展，使多通道协调加载系统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高，促进了电液伺服系统的广泛应用。可以说电液伺服技术的发展与计算机技术的发展是密切联系在一起的。
3 电液伺服系统的自动控制
液压伺服控制系统有阀控(节流式控制) 系统和变量泵或变量马达控(体积式控制) 系统两大类。阀控系统响应速度高, 精度高, 但效率低, 适合于速度高、精度高的中小型系统。变量泵或变量马达控系统的泵源压力由负载确定, 效率高, 但响应速度低, 系统结构复杂, 适合于大功率(20 kW以上) 和响应速度要求不高的液压系统。
3.1 伺服阀的选用
伺服阀侧重应用在动态精度和控制精度高、抗干扰能力强的闭环系统中, 对动态精度要求一般的系统可用比例阀。从响应速度优先的原则考虑, 伺服阀的前置级优先选择喷嘴挡板阀, 其次是射流管阀, 最后是滑阀; 从功率考虑, 射流管阀压力效率和容积效率在70 %以上, 应首先选择, 然后是选择滑阀和喷嘴挡板阀; 从抗污染和可靠性方面考虑, 射流管阀的通径大, 抗污染能力强, 可延长系统无故障工作时间; 从性能稳定方面考虑, 射流管阀的磨蚀是对称的, 不会引起零漂, 性能稳定, 寿命长; 滑阀的开口形式一般选择零开口结构; 伺服阀规格由系统的功率和流量决定, 并留有15 %～30 %的流量裕度; 伺服阀的频宽按照伺服系统频宽的5 倍选择, 以减少对系统响应特性的影响, 但不要过宽, 否则系统抗干扰能力减小。
3.2 测控系统
测量控制系统随着数字控制理论的成熟以及高速DSP 技术的发展。全数字化测控系统已经成为今后测量控制系统发展的方向。动态电液伺服全数字测量控制系统，不仅要求硬件运算速度快、运算精度高，同时还要求在软件和数字控制理论方面要有新的突破。这样才能满足电液伺服控制系统响应快速、控制精确、稳
定可靠的要求。目前，美国MTS 公司的TeststarII 全数字控制器，运算频率可以达到5000次/秒，控制特性在传统的PID 控制基础上，还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等辅助控制特性。因此数字控制器由于其丰富的运算功能，其控制非常灵活，是模拟控制系统无法比拟的。国内目前技术成熟的全数字动态控制器还没有进入产业化阶段，还需要有一个发展研究的过程。多通道、数字化、多自由度协调技术是电液伺服技术在模拟仿真试验技术发展中的关键技术环节。只有掌握了多通道控制技术、多自由度协调偶合及解偶技术，才能使我们的电液伺服技术向更高的台阶上迈进，才能缩小与国外同行之间的差距。实现这一目标需要有一批高素质的技术队伍，要从软件、硬件、数字控制理论和实践等综合技术方面同步推进。
3.3 控制算法
电液伺服控制系统是非线性时变系统, 无法建立精确的数学模型。控制算法的基本原理:控制器根据系统的指令信号和传感器的反馈信号相比较, 获得跟踪误差信号, 经过控制算法给出控制信号, 控制信号经伺服放大器放大后驱动电液伺服阀, 伺服阀将电量变成液压油流量, 移动活塞消除差值, 使试样应变以一定精度跟踪斜坡达到恒应变速率控制的目的。同理, 可以实现恒应力、恒位移速率控制, 整个系统工作在闭环自动调节下。
为了解决电液伺服系统存在的问题, 人们不断地研究适合于伺服系统的新的控制算法, 除了已经推广的PID 控制算法外, 又提出了鲁棒控制算法、滑模控制算法、自适应控制算法、神经网络在线学习补偿自适应控制等, 提高了电液伺服系统的控制精度。最近提出的无模型轨迹跟踪控制算法, 使系统稳定, 改善了系统的动态响应品质。
参考文献：
【1】 徐兆红. 电液位置伺服系统的模糊控制研究[D ]. 昆明:昆 明理工大学, 2004.
【2】 骆涵秀. 试验机的电液控制系统[M ]. 北京:机械工业出版 社, 1991.
【3】 王占林. 近代电气液压伺服控制[M ]. 北京:北京航空航天
大学出版社, 2005.
【4】 王春行. 液压伺服控制系统[M]北京:机械工业出版社,1989
电液伺服系统与自动控制
摘要：电液伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，如机床工作台的位置、板带轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台等。为了更好的实现电液伺服系统的自动控制，人们不断地研究适合于伺服系统的新的控制算法。
关键词：电液伺服系统；自动控制；伺服阀；控制算法
前言
电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。
1 电液伺服控制系统的组成
电液伺服控制系统由液压控制、反馈测量和液压执行元件组成。一个典型的液压伺服系统有以下特征: ①是一个跟随系统, 液压缸位置由伺服阀阀芯位置确定; ②是一个放大系统, 执行元件输出的力或者功率远远大于输入信号输入的力或者功率; ③是一个闭环系统, 带反馈环节; ④是一个有误差系统, 误差随输入信号产生, 从而导致执行元件运动, 系统通过反馈力图消除误差, 如果误差消除不再产生, 则系统也就停止工作了。
2 电液伺服控制的现状与发展简介
我国的电液伺服发展水平目前还处在一个发展阶段，虽然在常规电液伺服控制技术方面，我们有了一定的发展。但在电液伺服高端产品及应用技术方面，我们距离国外发达国家的技术水平还有着很大差距。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于一体的综合性技术，要发展国内的电液伺服技术必须要从机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域同步推进。
国内液压件的整体水平目前还比较落后，主要采用橡胶密封结构方式，易老化泄漏、体积笨重、集成度低。随着机械精密加工技术的成熟，国外密封大都采用球面和锥面配合密封方式，结构简单，密封性能可靠。今后改善国内液压件结构还需要在工艺性上下功夫，需要一个系统的完善过程。作为电液转换的关键元件 “电液伺服阀”，是电液伺服控制技术今后技术提升的关键环节。电液伺服技
术行业目前与电液伺服阀生产企业缺少交流和探讨，只能简单的应用其现成产品。从某种意义上这也限制了国内电液伺服技术的发展。今后，需要加强与伺服阀生产企业的合作，共同开发适宜试验机应用的伺服阀产品，全面提升国内电液伺服技术水平。计算机技术的发展和应用，促进了电液伺服技术的提高。正是利用计算机技术才使电液伺服系统在动态仿真模拟试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由度协调控制、计算机仿真解耦技术等技术的应用和发展，使多通道协调加载系统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高，促进了电液伺服系统的广泛应用。可以说电液伺服技术的发展与计算机技术的发展是密切联系在一起的。
3 电液伺服系统的自动控制
液压伺服控制系统有阀控(节流式控制) 系统和变量泵或变量马达控(体积式控制) 系统两大类。阀控系统响应速度高, 精度高, 但效率低, 适合于速度高、精度高的中小型系统。变量泵或变量马达控系统的泵源压力由负载确定, 效率高, 但响应速度低, 系统结构复杂, 适合于大功率(20 kW以上) 和响应速度要求不高的液压系统。
3.1 伺服阀的选用
伺服阀侧重应用在动态精度和控制精度高、抗干扰能力强的闭环系统中, 对动态精度要求一般的系统可用比例阀。从响应速度优先的原则考虑, 伺服阀的前置级优先选择喷嘴挡板阀, 其次是射流管阀, 最后是滑阀; 从功率考虑, 射流管阀压力效率和容积效率在70 %以上, 应首先选择, 然后是选择滑阀和喷嘴挡板阀; 从抗污染和可靠性方面考虑, 射流管阀的通径大, 抗污染能力强, 可延长系统无故障工作时间; 从性能稳定方面考虑, 射流管阀的磨蚀是对称的, 不会引起零漂, 性能稳定, 寿命长; 滑阀的开口形式一般选择零开口结构; 伺服阀规格由系统的功率和流量决定, 并留有15 %～30 %的流量裕度; 伺服阀的频宽按照伺服系统频宽的5 倍选择, 以减少对系统响应特性的影响, 但不要过宽, 否则系统抗干扰能力减小。
3.2 测控系统
测量控制系统随着数字控制理论的成熟以及高速DSP 技术的发展。全数字化测控系统已经成为今后测量控制系统发展的方向。动态电液伺服全数字测量控制系统，不仅要求硬件运算速度快、运算精度高，同时还要求在软件和数字控制理论方面要有新的突破。这样才能满足电液伺服控制系统响应快速、控制精确、稳
定可靠的要求。目前，美国MTS 公司的TeststarII 全数字控制器，运算频率可以达到5000次/秒，控制特性在传统的PID 控制基础上，还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等辅助控制特性。因此数字控制器由于其丰富的运算功能，其控制非常灵活，是模拟控制系统无法比拟的。国内目前技术成熟的全数字动态控制器还没有进入产业化阶段，还需要有一个发展研究的过程。多通道、数字化、多自由度协调技术是电液伺服技术在模拟仿真试验技术发展中的关键技术环节。只有掌握了多通道控制技术、多自由度协调偶合及解偶技术，才能使我们的电液伺服技术向更高的台阶上迈进，才能缩小与国外同行之间的差距。实现这一目标需要有一批高素质的技术队伍，要从软件、硬件、数字控制理论和实践等综合技术方面同步推进。
3.3 控制算法
电液伺服控制系统是非线性时变系统, 无法建立精确的数学模型。控制算法的基本原理:控制器根据系统的指令信号和传感器的反馈信号相比较, 获得跟踪误差信号, 经过控制算法给出控制信号, 控制信号经伺服放大器放大后驱动电液伺服阀, 伺服阀将电量变成液压油流量, 移动活塞消除差值, 使试样应变以一定精度跟踪斜坡达到恒应变速率控制的目的。同理, 可以实现恒应力、恒位移速率控制, 整个系统工作在闭环自动调节下。
为了解决电液伺服系统存在的问题, 人们不断地研究适合于伺服系统的新的控制算法, 除了已经推广的PID 控制算法外, 又提出了鲁棒控制算法、滑模控制算法、自适应控制算法、神经网络在线学习补偿自适应控制等, 提高了电液伺服系统的控制精度。最近提出的无模型轨迹跟踪控制算法, 使系统稳定, 改善了系统的动态响应品质。
参考文献：
【1】 徐兆红. 电液位置伺服系统的模糊控制研究[D ]. 昆明:昆 明理工大学, 2004.
【2】 骆涵秀. 试验机的电液控制系统[M ]. 北京:机械工业出版 社, 1991.
【3】 王占林. 近代电气液压伺服控制[M ]. 北京:北京航空航天
大学出版社, 2005.
【4】 王春行. 液压伺服控制系统[M]北京:机械工业出版社,1989