流体动力应用中的开闭环控制

一些最复杂的运动控制问题来自流体动力应用，因为所涉及的介质(空气或液压油)不以线性方式响应控制输入。开环控制和闭环控制之间的选择围绕着反馈的概念，以及对特定的运动系统来说，考虑反馈有多重要。

在闭环控制中使用反馈可以提供平稳和精确的运动，但这需要一个能够利用反馈信息的运动控制器。开环系统可能不需要闭环运动系统的设置和编程，但它们也不具有闭环系统所提供的灵活性和精度。最终决定取决于应用程序及其特定需求;开环和闭环控制都有各自的优点和缺点(见表)。

表:比较/对比开闭环控制的优点和缺点

控制类型	优点	缺点
开环	不需要调优 可以简单的设置吗 可支持高速运动 如果负荷突然被移走，不容易受到不必要的运动的影响。	运动质量会随着机器周期的变化而变化 最精确的 随着生产需求的变化，灵活性有限。
闭环	可以精确跟踪运动轮廓 可重复的运动 能同时达到速度和精度吗 能使同步或齿轮的多轴 可以通过更平稳的运动来降低维护成本。	调优对于实现预期结果至关重要。寻找一个容易调整的运动控制器。 所使用的反馈设备的质量是至关重要的，并且会增加系统成本。

何时选择开环控制

许多应用都使用开环控制，包括执行器(运动系统的“业务端”)的精确定位或速度控制不是关键的情况。开环控制没有尝试匹配实际速度，或压力/力施加的运动系统计算目标值。我们有一个最终目标要实现，但系统如何实现这个目标并不是很重要。通常，当速度很重要，但精密操作不重要时，开环控制被使用，例如在加工步骤完成后收回刀具，或在刀具与工件接触之前预先定位刀具。执行器可以根据负载的变化以不同的速度运行，或者在液压系统的情况下，油的压力或温度。

这并不是说开环控制是完全“无反馈”的。开环系统可以与离散限位开关、光眼或压力开关一起使用，以确定运动何时应该停止或何时达到压力极限。一个特殊的运动控制器通常不需要操作/关闭运动控制-一个通用计算机，如可编程逻辑控制器(PLC)就足够了。如果机器用于加工不同尺寸的材料，则使用必须放置在特定位置的物理限位装置可能会导致问题，因为在生产转换期间需要物理移动限位装置。无论在操作时是否使用开环控制，都应在流体动力系统的设置过程中使用。在检查阀门管道和接线极性时，找到正负极限，检查阀门的线性度，并检查运动是否平稳。

何时采用闭环控制

应用需要轮廓跟踪，同步，或齿轮运动的一个轴到另一个轴，或那些需要高度的操作灵活性或速度与精度必须使用闭环控制。其他应用包括那些需要在不断变化的负载或环境条件下保持精度的能力。

闭环控制可以实现不同程度的复杂性或复杂性，这取决于应用程序的需要。一些简单的模拟控制器仅使用比例控制，其中控制器的驱动输出随实际和目标温度、流量、位置、速度或压力之间差异的大小而变化。在这种情况下，“P”在比例积分导数(PID)控制回路图(见图1)被称为比例控制。

在某些运动系统中，如果有足够的机械摩擦来提供阻尼，从而避免振荡发生的机会，比例控制将充分发挥作用。然而，许多液压系统往往是欠阻尼的(就像弹簧上的质量一样)。在这种情况下，增加比例增益来控制振荡系统实际上可能使振荡更糟。

由于仅依赖p增益的控制系统需要一个误差才能使系统以特定的速度移动，如果需要改变速度，系统对新输入的响应将会有一个滞后。对于更紧密的闭环控制，需要其他增益项，每个增益项都起着特定的作用。

为了使运动轴快速可靠地移动到目标位置，经常需要使用积分增益。即使实际状态和目标状态之间存在微小的误差，也会导致仅采用比例控制的系统将执行器移动到目标设定值。

系统的机械实际情况，例如液压阀的零特性的变化，或运动部件之间的摩擦(静态和动态)，可能会使系统无法击中目标。控制方程的积分器分量随着时间的推移累积误差量，最终导致输出增加到引起执行器移动所需的量。

导数增益提供电子阻尼，有助于保持执行器振荡的比例增益增加。导数增益的工作效果取决于一些关键因素，比如反馈设备输出值的分辨率(比如它们的变化有多平稳)，以及是否严格遵守已知的采样时间。由于导数增益是应用于速度误差量的乘法因子，因此精确确定运动轴的速度是至关重要的。

前馈闭环控制

闭环控制系统的有效性取决于系统对系统实际测量值与目标测量值之间误差的响应。然而，单独使用基于pid的控件的一个限制是，除非至少有一些错误，否则不会有任何运动。在许多应用中，这不是一个问题，但是通过在错误发生之前估计所需的输出，可以增强精确和平滑的运动跟踪。这就是前馈增益发挥作用的地方。

与应用于反馈误差的PID增益不同，前馈增益(参见图1中的速度前馈Fv和加速度前馈Fa)乘以目标速度和加速度并相加以产生对输出的贡献。

前馈实际上就是开环增益被用作预测因子。它们在液压系统中特别有用。这在一定程度上是由于流体特性以及液压油作用于液压缸中活塞的杆和开口两侧之间的物理差异。通常需要单独的增益来实现活塞在每个运动方向上的预期速度和加速度。

理论上，如果预测增益计算正确，系统运动时应该没有误差。然而，现实世界的系统并不完美。考虑到最终的系统稳定性，目标是使用预测术语使系统在所需运动剖面的90 - 95%范围内运行。那么PID算法的纠错能力只需要处理最后的5%到10%。

除了确保精确的系统操作外，使用可编程运动控制器还有一个额外的优势，即能够快速轻松地改变控制参数，以满足不断变化的生产要求。可以通过以太网从监控PLC或计算机下载新的设定值，以制作新的部件类型，并且参数的更改频率没有限制。

使用电子运动控制器对运动轮廓进行更严格的控制，具有使更平稳的运动成为可能的额外优势，减少机器中的冲击和振动，降低维护成本，并延长机器的使用寿命。这些好处同时也提高了产品的质量和均匀性。

在液压应用中进行压力或力控制时需要注意的是，如果与运动相反的力或负载突然消失，执行器将突然移动。如果这是一个问题，使用具有压力或力限制能力的开环控制可能是一个更好的解决方案，以最大限度地减少不必要的控制响应的影响。

开环与闭环控制相结合

在一台机器上，开环控制通常与闭环控制相结合，每种控制方法用于机器循环的不同部分，以提供最佳优势。例如，可以在缩回方向上使用开环运动来快速打开压力机，以便可以弹出制造部件。调整机器的整体操作可以简化，因为只有延伸方向(循环中进行压制的部分)必须调整以实现精确的操作-循环的开环部分不需要调整。

图2显示了高端压力机液压系统示意图，由气缸内的线性磁致伸缩位移传感器(MDT)提供位置反馈，由安装在气缸两端的压力传感器提供压差(力)反馈。液压流体流量的控制是通过一个比例阀提供的。运动控制器被编程为当压缸和模具与工件接触时平稳地从开环运动过渡到闭环运动，然后在压头缩回时转换回开环运动。

了解你的应用

流体动力应用在闭环和开环控制之间的选择最终取决于具体应用的要求。通过一个经过编程可在模式之间切换的运动控制器，系统集成商可以获得两种方法的优点。然而，应该指出的是，即使是最好的运动控制器也不能弥补整体系统设计的缺陷或系统中其他地方选择不当的组件，如关闭控制回路所需的马达、阀门或传感器。

比尔Savela他是Delta计算机系统公司的市场总监。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 选择流体动力应用的闭环和开环控制取决于具体应用的要求。
• 开环Control的控制优势包括简单的设置和不容易受不必要的运动影响。
• 闭环控制的优点包括可重复运动和实现速度和精度的能力。

考虑一下这个

还有其他优势吗?在流体动力应用中，开闭环控制为用户提供的好处是什么?

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