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    導語 在閉環控制中使用反饋會提供平穩和精確的運動,不過這需要一個可以利用反饋信息的運動控制器。開環控制可能不需要閉環運動系統的設定和編程,不過它也不具備閉環系統能夠提供的靈活性和精確性。

            最復雜的運動控制問題中有一部分是來自于流體動力控制應用,因為所涉及的介質(空氣或液壓油)不會對控制輸入做出線性方式的響應。使用開環控制還是閉環控制所進行的選擇圍繞著反饋的概念,以及特定運動系統將反饋考慮在內的重要性。

            在閉環控制中使用反饋會提供平穩和精確的運動,不過這需要一個可以利用反饋信息的運動控制器。開環控制可能不需要閉環運動系統的設定和編程,不過它也不具備閉環系統能夠提供的靈活性和精確性。其決策是根據應用及其需求而定;開環控制和閉環控制都有各自的好處和不足。

            01、什么時候選擇開環控制

            許多應用都使用開環控制,包括那些并不看重對一臺執行機構(一個控制系統的“業務終點”)進行精確位置或速度控制的情況。使用開環控制,不用努力將實際的速度或一套運動系統施加的壓力或力量與計算出來的目標值匹配起來。有了一個要達到的目標,而系統怎么達到并不是非常重要。

            通常來說,在速度很重要而精確操作并不重要的情況下會使用開環控制,例如在機加工步驟完成之后將工具收縮回來的操作,或者在接觸加工部件之前將工具預先定位的操作。執行機構可以根據負載的變化來變換速度,或者是液壓系統的情況下根據油壓和油溫的變化來變換速度。

            開環控制并不是完全“沒有反饋”的。開環控制會使用獨立的限位開關、光電檢測器或壓力開關來決定運動應該在什么時候停止或什么時候達到一個壓力限值。一些特殊的運動控制器一般不需要運行啟/停的運動控制,例如一臺可編程邏輯控制器(PLC)的通用計算機就足夠了。如果使用必須要在指定位置安裝的物理限位裝置可能會帶來問題,因為如果機器是被用來加工不同尺寸的材料,在產品切換的過程中限位裝置的物理位置需要移動。

            在流體動力系統設置的過程中可以使用開環控制,例如在檢查閥門接管和接線的極性時,找到正限位和負限位、檢查閥門線性以及檢查平穩運動時。
     

    開環控制or閉環控制?為流體動力設計最適合的控制系統
     

            該圖是使用在高階壓力的液壓系統,具有從位于液壓缸內的磁致伸縮位移傳感器(MDT)提供的位置反饋以及從安裝在液壓缸兩端的壓力傳感器反饋的差壓信號。對于液壓流體流動的控制是通過一個比例閥進行的。運動控制器可以經過編程在壓缸和沖模接觸到加工部件的時候平順地從開環運動過渡到閉環運動,然后在壓力機壓頭回縮的時候再過渡回開環運動。

            02、什么時候選擇閉環控制

            對于那些需要輪廓跟隨、同步或根據一個軸的運動來帶動另一個軸的運動、或需要高精度的高速運行靈活性或速度的應用場合,必須使用閉環控制。其他需要閉環控制的應用包括在負載或環境條件變化的情況下需要保持精度的應用。

            根據應用的需求不同,可以獲得不同復雜程度的閉環控制。一些簡單的模擬控制器僅僅運行比例控制,即控制器調整輸出的變化是作為實際的溫度、流量、位置、速度或壓力值和目標值之間的差值幅度的函數。在比例-積分-微分(PID)控制回路圖中的“P”指的就是比例控制。

            對于一些運動系統來說,如果具備足夠的機械摩擦來提供阻尼,從而避免震蕩發生的機會,僅用比例控制就完全可以工作。然而,許多液壓系統傾向于阻尼不足的情況(動作起來就像彈簧上的一塊物體)。在這種情況下,想要通過增大比例增益的值來獲得震蕩系統的控制可能實際上會讓震蕩更嚴重。

            既然僅僅依賴P增益的控制系統需要一個誤差來使系統在一個特定的速度上移動,如果出現變化速度的需求,系統對新輸入的響應會滯后。對于更加緊密的閉環控制,其他的增益方式會扮演一個特定的角色。

            要想讓一條運動軸快速可靠地移動到目標位置,使用比例增益往往是必要的。即便是實際狀態與目標狀態之間的微小誤差也會使僅僅使用比例控制系統的執行機構移動到目標設定點。

            系統的機械現實,例如一個液壓閥的零點特性的變化或者移動部件(靜態或動態)之間的摩擦,可能會阻止系統撞擊目標。控制方程式中的積分器部分會積累一段時間的誤差,最終會增加必要的輸出量來讓執行機構移動。

            微分增益的作用是在比例增益增加的時候提供電子阻尼,來幫助保證執行機構不會震蕩。微分增益工作的好壞取決于一些關鍵因素,例如反饋設備輸出值的分辨率以及是否嚴格遵守已知的采樣時間。既然微分增益是用于速度誤差量的倍數因素,那么運動軸的速度得到精確確認是至關重要的。

            03、閉環控制中的前饋

            閉環控制系統的有效性取決于系統對于實際的系統測量值和目標值之間的誤差的響應。然而,使用基于PID控制的限制條件是至少要有一些誤差,否則就不會有任何運動。在許多應用中,這不是問題,不過在誤差發生之前對需要的輸出有個估計還是可以增強對運動跟蹤的精度和平滑度。這就是前饋增益發揮作用的地方。

            與用于反饋誤差的PID增益不同,前饋增益乘以目標速度和加速度,經過求和得出對于輸出的貢獻。

            前饋真的僅僅是被用作預測因素的開環增益。它們在液壓系統中特別有用,一部分原因是流體的特性以及液壓流體在一個液壓缸內的桿側的工作方式和在活塞的開放側的工作方式的物理性差別。通常要求采用不同的增益來獲得在每個運動方向上想要的活塞的速度及加速度。

            在理論上,如果預測增益計算正確,當系統移動時應該不會有誤差。在真實的世界里,系統不會完美地工作。始終要記住系統穩定性,目標是使用預測方式來使系統能夠在期望的運動輪廓的90%到95%范圍內工作。那么PID算法的糾錯能力僅僅需要處理5%到10%。

            在確保精確的系統運作的同時,使用可編程運動控制器具有額外的優勢,即可以使控制參數快速簡單地改變來滿足不斷變化的生產的需求。可以通過以太網從一臺監控PLC或計算機下載新的設定值,以啟用新的部件類型,而且對于參數多久可以改變一次沒有限制。

            使用電子運動控制器更加嚴密的控制運動輪廓帶來了額外的好處,可以讓運動更加平順、減少機器的沖擊和振動、減少維護成本、以及延長機器的使用壽命。出現這些好處的同時也改善了生產產品的質量和一致性。

            在液壓應用中進行壓力或力量控制時需要注意的是,如果與運動相對方向上的力或者負載突然消失,執行機構會突然動起來。對于這個問題,使用具有壓力或力量限制功能的開環控制可以是比較好的解決方案,可以將不需要的控制響應的影響降到最低。

            04、開環控制和閉環控制的結合

            在同一臺機器上,開環控制經常會與閉環控制相結合,在機器工作周期的不同部分使用其中一種控制方式,來達到提供最佳優勢的目的。例如,可以在回縮方向上使用開環運動來快速打開一臺沖床,因此加工完的部件就能釋放出來。

            調整機器的運行可以得到全面的簡化,因為只有伸展方向(完成沖壓操作的那部分工作周期)上必須調整到可以精確運行,工作周期的開環部分不需要被調整。

            為流體動力應用場合選擇閉環控制還是開環控制最終還是取決于特定應用的需求。使用一臺經過編程可以在不同模式之間切換的運動控制器,系統集成商可以同時獲得兩種方式的優勢。

            然而,應該注意到即便是最好的運動控制器也不能彌補系統設計的整體不良或在系統中的其他地方選擇不佳的部件,例如電機、閥門或閉環控制回路需要的傳感器。


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