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开环控制or闭环控制?为流体动力设计最适合的控制系统

导读: 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。

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。

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