电液伺服跑偏控制系统设计说明
前言
随着20世纪自动化技术的巨大进步，自动控制理论得到不断地发展和完善。本文正是针对设计任务，通过设计方案的分析比较之后，选择电液控制系统来设计此次任务。
本文首先介绍了液压控制的一些基本概念，对研究对象和任务作出了整体的介绍，并简述了液压控制技术的发展史。然后在明确设计要求的情况下，对设计任务进行分析。通过机液伺服跑偏控制系统和电液伺服跑偏控制系统的分析对比，最终选择了电液伺服跑偏控制系统的设计方案，从而进入本课题研究要点。
接着本文对电液伺服跑偏控制系统做了具体的设计，先是对电液伺服机构进行了分析，得出了电液伺服系统的数学模型，进而分析了其特点。接着又对系统做了静、动态计算及分析，确定了供油压力，选取了伺服阀，并求取了各元件的传递函数，绘制了系统方块图，得出系统的各个参数。
然后还要对系统进行校正，得到更为优良的设计参数，使系统更加完善，以进一步提高系统的性能。最后利用了先进电脑仿真技术MATLAB对所做的系统进行仿真，通过改变系统的各个参数进行分析、比较，从而可看出系统的各个参数对系统的响应速度和稳定性的影响，
本论文在王慧老师的悉心教导之下，通过研读各著作期刊，经过多次的修改。由于作者水平有限，论文中难免出现点差错，恳请读者指正。
1 绪论
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）能够自动地、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。
液压伺服控制系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统。按系统中实现信号传输和控制方式不同分为机液伺服系统和电液伺服系统两种。
机液伺服系统的典型实例是飞机、汽车和工程机械主离合器操纵装置上常用的液压助力器，机床上液压仿形刀架和汽车与工程机械上的液压动力转向机构等。
电液伺服控制系统是以液压为动力，采用电气方式实现信号传输和控制的机械量自动控制系统。按系统被控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。电液位置伺服控制系统适合于负载惯性大的高速、大功率对象的控制，它已在飞行器的姿态控制、飞机发动机的转速控制、雷达天线的方位控制、机器人关节控制、带材跑偏、力控制、材料试验机和加载装置等中得到应用。
1.1 液压伺服控制系统的组成
液压伺服控制系统不管多么复杂，都是由以下一些基本元件组成的，如图1-1所示：
图1-1 电液伺服控制系统
Fig.1-1 electro-hydraulic servo system
1）输入元件——也称指令元件，它给出输入信号（指令信号）加于系统的输入端。该元件可以是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。
2）反馈测量元件——测量系统的输出并转换为反馈信号。这类元件也是多种形式的。各种传感器常作为反馈测量元件。如测速机、阀套，以及其它类型传感器。
3）比较元件——相当于偏差检测器，它的输出等于系统输入和反馈信号之差，如加法器、阀芯与阀套组件等。
4）液压放大与转换元件——接受偏差信号，通过放大、转换与运算（电液、机液、
气液转换），产生所需要的液压控制信号（流量、压力），控制执行机构的运动，如放大器、伺服阀、滑阀等。
5）液压执行元件——产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马达等。
6）控制对象——被控制的机器设备或物体，即负载。
此外，系统中还可能有各种校正装置，以及不包含在控制回路的能源设备和其它辅助装置等。
液压控制元件、执行元件和负载在系统中是密切相关的，把三者的组合称之为液压动力机构。凡包含有液压动力机构的反馈控制系统统称为液压控制系统。
1.2 液压伺服控制的分类
液压伺服控制系统可按下列不同的原则进行分类，每一种分类的方法都代表系统一定的特点。
1.2.1按系统输入信号的变化规律分类
液压伺服控制系统按输入信号的变化规律不同可分为：定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统。
1) 定值控制系统——当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统。对定值控制系统，基本任务是提高系统的抗干扰性，将系统的实际输出量保持在希望值上。
2) 程序控制系统——当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。输入量总在频繁的变化，系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化。
3) 伺服控制系统——也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输入量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。对伺服系统来说，能否获得快速响应往往是它的主要矛盾。
1.2.2按被控物理量的名称分类
1) 位置伺服控制系统；
2) 速度伺服控制系统；
3) 加速度伺服控制系统；
3) 力控制系统；
4) 其它物理量的控制系统；
1.2.3 按液压动力元件的控制方式分类
1) 节流式控制（阀控式）系统——用伺服阀按节流原理来控制流入执行机构的流量或压力的系统。
2) 容积式控制（变量泵控制或变量马达控制）系统——利用伺服变量泵或变量马达改变排量的办法控制流入执行机构的流量和压力系统。又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统两种。
1.2.4 按信号传递介质的形式分类
1) 机械液压伺服系统；
2) 电气液压伺服系统；
3) 气动液压伺服系统；
除以上几种分类方法外，还可将系统分为数字控制系统和连续时间控制系统，线性或非线性控制系统等。
1.3 液压伺服控制的优缺点
1.3.1 液压伺服控制的优点
液压伺服系统与其它类型的伺服系统相比，具有以下的优点：
1) 液压元件的功率—重量比和力矩—惯量比大, 功率传递密度高, 可组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。对于中、大功率的伺服系统，这一优点尤为突出。
2) 液压动力元件快速性好，系统响应快。由于液压动力元件的力矩—惯量比（或力—质量比）大，所以加速能力强，能高速起动、制动与反向。
3) 液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度高。
4) 液压执行元件速度快, 在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高、频宽高。
5) 液压控制系统可以实现频繁的带载起动和制动, 可以方便地实现正反向直线或回转运动和动力控制, 调速围广、低速稳定性好、能量贮存和动力传输方便。
此外，液压伺服控制系统还有一些优点。如液压元件的润滑性好，液压元件寿命长（与气动相比）；调速围宽、低速稳定性好；借助油管动力传输比较方便；借助蓄能器，能量储存比较方便；液压执行元件有直线位移式和旋转式两种，增加它的适应性；过载保护容
易；解决系统温升问题比较方便；易于采取节能措施等
1.3.2 液压伺服控制的缺点
液压控制系统因有上述突出优点，使它获得广泛的应用。但它还存在不少缺点，因而又使它的应用受到某些限制。其主要缺点有：
1) 液压元件，特别是精密的液压控制元件（如电液伺服阀）抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。这是液压伺服系统发生故障的主要原因。因此液压伺服系统必须采用精过滤器。
2) 油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。油液的黏度也随油温的变化而变化。因此油温的变化对系统的性能有很大的影响。
3) 当液压元件的密封装置设计、制造或使用维护不当时，容易引起漏油，污染环境。采用石油基液压油，在某些场合有引起火灾的危险。采用抗燃液压油可使这种危险减小。
4) 液压元件加工精度要求高，成本高，价格贵。
5) 液压能源的获得、储存和远距离输送不如电气系统方便。
1.4 电液伺服控制系统的发展概况
电液伺服控制技术最先产生于美国的 MIT，后因其响应快、精度高，很快在工业界得到了普及。电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构，根据负反馈原理，使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律，而且可对输入量进行变换与放大。作为控制领域的一个重要研究对象，电液伺服系统的设计理论和方法一直受到控制学科的指导和启发，经历了从线性到非线性智能控制的发展历程。
自从20世纪50年代麻省理工学院开始研究电液伺服系统的控制至以后的几十年中，电液伺服控制设计基本上是采用基于工作点附近的增量线性化模型对系统进行综合与分析。PID 控制也因其控制律简单和易于理解，受到工程界的普遍欢迎。然而，随着人们对控制品质要求的不断提高，电液伺服系统中 PID 控制的地位发生了动摇。这主要是由电液伺服系统的特性所决定的。首先，电液伺服系统是一个严重不确定非线性系统，环境和任务复杂，普遍存在参数变化、外干扰和交叉耦合干扰；其次，电液伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求。如航空航天领域的系统频宽可达 100Hz，已接近甚至超过液压动力机构的固有频率；另外，在高精度快速跟踪条件下，电液伺服系统中的非线性作用已不容忽视。因此，可以说电液伺服系统是一类典型的未知不确定非线性系统。这类系统扰动
大、工作围宽、时变参量多、难以精确建模。这些特点对系统的稳定性、动态特性和精度都将产生严重的影响，特别是控制精度受负载特性的影响而难以预测。例如，在材料试验机上，一般的动态加载多采用 PID方式，对不同的试件，必须更改不同的PID参数，尤其是在材料变形的塑性区域，PID控制更加难以满足人们日益精细的控制要求。
70年代末至80年代初，计算机技术的发展为电子技术和液压技术的结合奠定了基础。随后计算机控制在电液伺服系统中得到应用，使复杂控制策略的实现成为可能。自适应控制的引入在一定程度上提高了系统的鲁棒性和控制精度，并在解决许多工程问题上发挥了积极的作用。但在大扰动或系统存在严重不确定性时，自适应算法将趋向复杂，造成实现上的困难。此外，它对非线性因素的处理能力也不尽人意。
近年来，控制学科的发展推动了电液伺服系统智能控制的研究。对非对称缸系统，国早期在WE试验机上有过研究；国外也进行了非对称缸系统建模和 Robust控制的研究，如使用双函数边界法，将阀口流量、缸体运动的非线性用线性不确定方程来描述，将非线性问题转化为参数摄动问题进行处理。此外，模糊控制、神经网络控制等非线性控制技术也都在电液伺服系统中取得了一席用武之地。尤其是在模糊控制方面，经过多年的研究与实践，已由最初的技术应用研究，逐步形成了系统化的模糊控制设计理论和方法，并在电液伺服系统中取得成功的应用。由此可见，电液伺服系统非线性智能控制研究的前景是十分广阔的。
然而，目前仍存在许多问题。比如，应用方面的非线性系统理论的不完备，对诸如控制策略设计、稳定性分析以及非线性和智能控制理论方法在实际应用中存在的局限性缺乏有针对性的研究等。此外，值得指出的是，虽然电液伺服系统中的非线性因素会对控制系统的设计产生一定的影响，但是这些非线性因素的影响在多数条件下远不如负载干扰的影响大。在控制器的鲁棒作用下，这些影响也都可以在一定程度上得到削弱。但是，由于电液伺服系统的空载特性与负载特性差别很大，因此在进行电液伺服系统的结构设计和控制器设计时，必须考虑负载特性的影响。以往，人们多停留在对线性弹簧质量负载的研究和分析中，而对非线性负载，却很少从整个非线性闭环系统的角度进行分析和综合的研究。有些文献即便涉及了这方面的研究，也大都是针对具体问题进行的，并没有为电液伺服控制这一类系统建立较为完善和规化的非线性设计理论和方法。
基于上述现状，对智能控制策略进行深入研究，以寻求一种新的控制方法，并探求一条可行的工程实现途径，实现对未知不确定非线性电液伺服系统的高品质控制已经刻不容缓。