开环控制or闭环控制?为流体动力设计最适合的控制系统

作者: admin 分类: 科技 发布时间: 2019-10-10 15:13

最复杂的运动控制问题中有一部分是来自于流体动力控制应用,因为所涉及的介质(空气或液压油)不会对控制输入做出线性方式的响应。使用开环控制还是闭环控制所进行的选择围绕着反馈的概念,以及特定运动系统将反馈考虑在内的重要性。

在闭环控制中使用反馈会提供平稳和精确的运动,不过这需要一个可以利用反馈信息的运动控制器。开环控制可能不需要闭环运动系统的设定和编程,不过它也不具备闭环系统能够提供的灵活性和精确性。其决策是根据应用及其需求而定;开环控制和闭环控制都有各自的好处和不足。

01什么时候选择开环控制

许多应用都使用开环控制,包括那些并不看重对一台执行机构(一个控制系统的“业务终点”)进行精确位置或速度控制的情况。使用开环控制,不用努力将实际的速度或一套运动系统施加的压力或力量与计算出来的目标值匹配起来。有了一个要达到的目标,而系统怎么达到并不是非常重要。

通常来说,在速度很重要而精确操作并不重要的情况下会使用开环控制,例如在机加工步骤完成之后将工具收缩回来的操作,或者在接触加工部件之前将工具预先定位的操作。执行机构可以根据负载的变化来变换速度,或者是液压系统的情况下根据油压和油温的变化来变换速度。

开环控制并不是完全“没有反馈”的。开环控制会使用独立的限位开关、光电检测器或压力开关来决定运动应该在什么时候停止或什么时候达到一个压力限值。一些特殊的运动控制器一般不需要运行启/停的运动控制,例如一台可编程逻辑控制器(PLC)的通用计算机就足够了。如果使用必须要在指定位置安装的物理限位装置可能会带来问题,因为如果机器是被用来加工不同尺寸的材料,在产品切换的过程中限位装置的物理位置需要移动。

在流体动力系统设置的过程中可以使用开环控制,例如在检查阀门接管和接线的极性时,找到正限位和负限位、检查阀门线性以及检查平稳运动时。

开环控制or闭环控制?为流体动力设计最适合的控制系统

该图是使用在高阶压力的液压系统,具有从位于液压缸内的磁致伸缩位移传感器(MDT)提供的位置反馈以及从安装在液压缸两端的压力传感器反馈的差压信号。对于液压流体流动的控制是通过一个比例阀进行的。运动控制器可以经过编程在压缸和冲模接触到加工部件的时候平顺地从开环运动过渡到闭环运动,然后在压力机压头回缩的时候再过渡回开环运动。

02什么时候选择闭环控制

对于那些需要轮廓跟随、同步或根据一个轴的运动来带动另一个轴的运动、或需要高精度的高速运行灵活性或速度的应用场合,必须使用闭环控制。其他需要闭环控制的应用包括在负载或环境条件变化的情况下需要保持精度的应用。

根据应用的需求不同,可以获得不同复杂程度的闭环控制。一些简单的模拟控制器仅仅运行比例控制,即控制器调整输出的变化是作为实际的温度、流量、位置、速度或压力值和目标值之间的差值幅度的函数。在比例-积分-微分(PID)控制回路图中的“P”指的就是比例控制。

对于一些运动系统来说,如果具备足够的机械摩擦来提供阻尼,从而避免震荡发生的机会,仅用比例控制就完全可以工作。然而,许多液压系统倾向于阻尼不足的情况(动作起来就像弹簧上的一块物体)。在这种情况下,想要通过增大比例增益的值来获得震荡系统的控制可能实际上会让震荡更严重。

既然仅仅依赖P增益的控制系统需要一个误差来使系统在一个特定的速度上移动,如果出现变化速度的需求,系统对新输入的响应会滞后。对于更加紧密的闭环控制,其他的增益方式会扮演一个特定的角色。

要想让一条运动轴快速可靠地移动到目标位置,使用比例增益往往是必要的。即便是实际状态与目标状态之间的微小误差也会使仅仅使用比例控制系统的执行机构移动到目标设定点。

系统的机械现实,例如一个液压阀的零点特性的变化或者移动部件(静态或动态)之间的摩擦,可能会阻止系统撞击目标。控制方程式中的积分器部分会积累一段时间的误差,最终会增加必要的输出量来让执行机构移动。

微分增益的作用是在比例增益增加的时候提供电子阻尼,来帮助保证执行机构不会震荡。微分增益工作的好坏取决于一些关键因素,例如反馈设备输出值的分辨率以及是否严格遵守已知的采样时间。既然微分增益是用于速度误差量的倍数因素,那么运动轴的速度得到精确确认是至关重要的。

03闭环控制中的前馈

闭环控制系统的有效性取决于系统对于实际的系统测量值和目标值之间的误差的响应。然而,使用基于PID控制的限制条件是至少要有一些误差,否则就不会有任何运动。在许多应用中,这不是问题,不过在误差发生之前对需要的输出有个估计还是可以增强对运动跟踪的精度和平滑度。这就是前馈增益发挥作用的地方。

与用于反馈误差的PID增益不同,前馈增益乘以目标速度和加速度,经过求和得出对于输出的贡献。

前馈真的仅仅是被用作预测因素的开环增益。它们在液压系统中特别有用,一部分原因是流体的特性以及液压流体在一个液压缸内的杆侧的工作方式和在活塞的开放侧的工作方式的物理性差别。通常要求采用不同的增益来获得在每个运动方向上想要的活塞的速度及加速度。

在理论上,如果预测增益计算正确,当系统移动时应该不会有误差。在真实的世界里,系统不会完美地工作。始终要记住系统稳定性,目标是使用预测方式来使系统能够在期望的运动轮廓的90%到95%范围内工作。那么PID算法的纠错能力仅仅需要处理5%到10%。

在确保精确的系统运作的同时,使用可编程运动控制器具有额外的优势,即可以使控制参数快速简单地改变来满足不断变化的生产的需求。可以通过以太网从一台监控PLC或计算机下载新的设定值,以启用新的部件类型,而且对于参数多久可以改变一次没有限制。

使用电子运动控制器更加严密的控制运动轮廓带来了额外的好处,可以让运动更加平顺、减少机器的冲击和振动、减少维护成本、以及延长机器的使用寿命。出现这些好处的同时也改善了生产产品的质量和一致性。

在液压应用中进行压力或力量控制时需要注意的是,如果与运动相对方向上的力或者负载突然消失,执行机构会突然动起来。对于这个问题,使用具有压力或力量限制功能的开环控制可以是比较好的解决方案,可以将不需要的控制响应的影响降到最低。

04开环控制和闭环控制的结合

在同一台机器上,开环控制经常会与闭环控制相结合,在机器工作周期的不同部分使用其中一种控制方式,来达到提供最佳优势的目的。例如,可以在回缩方向上使用开环运动来快速打开一台冲床,因此加工完的部件就能释放出来。

调整机器的运行可以得到全面的简化,因为只有伸展方向(完成冲压操作的那部分工作周期)上必须调整到可以精确运行,工作周期的开环部分不需要被调整。

为流体动力应用场合选择闭环控制还是开环控制最终还是取决于特定应用的需求。使用一台经过编程可以在不同模式之间切换的运动控制器,系统集成商可以同时获得两种方式的优势。

然而,应该注意到即便是最好的运动控制器也不能弥补系统设计的整体不良或在系统中的其他地方选择不佳的部件,例如电机、阀门或闭环控制回路需要的传感器。

如果觉得我的文章对您有用,请随意打赏。您的支持将鼓励我继续创作!