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液压控制中的开关控制与闭环控制的比较

发布日期:2020.05.25浏览次数:

 2020-05-25 13:29:44
On-Off VS. Closed-Loop Control
决定使用开关控制还是闭环控制需要考虑多种因素。
       实际上,这个决定并不像“苹果对苹果”的选择那么简单。因为开关控制(有时叫“梆梆控制”,源于执行器突然停止时会发出梆梆的噪音)只考虑对输出的控制,而闭环伺服控制则意味着持续的线性反馈和持续的线性输出控制。
考虑因素:

比方说开关阀,你可以选用没有反馈的,或是带有离散限位开关或是光电传感器来提供粗略的位置信息的,也可以使用具备持续的位置或速度反馈的各种类型。持续反馈可以来自模拟反馈装置、编码器或是磁致伸缩位移传感器 (MDT)。即便是使用伺服阀和比例阀,在少应用中人们仍然可能用带有相同反馈的开环回路或开关阀,来实现使用伺服阀和比例阀所能达到的相同功能。总之,一些高端系统通常用编码器或是MDT来实现反馈,用伺服阀或是伺服比例阀来形成闭环控制回路。以下是对这些选择的列表说明,表中横向为反馈方式,纵向为控制类型(如表1所示)。

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表1.内有两格注为N/A (意为不适用),是因为没有持续反馈的闭环控制既没有意义也不可能实现(此处,仅用位移开关或光电传感器是不够的)。

反馈:

显然,最便宜的反馈方式就是根本不用反馈。这种无反馈的控制通常由操作人员利用他们的观察和反应来操作执行机构以实现“回路闭合”。对于自动化来说,这种方式的适用性是有限的,因为唯一有十分把握达到的位置只有油缸的起始和最终这两个位置。况且执行机构的运行速度会随着负载、压力和油温的变化而变化。但是话说回来,这种方式对于某些设备来说已经足够了。比完全不用反馈前进了一步的,是离散反馈控制(通过使用限位开关和光电传感器)。这种方式使用开关阀或者比例阀来控制液压系统。尽管可以把限位开关和光电传感器直接连线到阀上,或者使用机械继电器,但结果是系统不灵活而效果非常差。改变布线可能是非常昂贵的,而且限位开关和光电传感器的位置常会根据不同的制造要求而必须改变。另外由于设备结构及位置限制等种种原因,把限位开关和光电传感器安装到理想的位置常常是非常不容易的。因此,为了提供所需要的灵活性,电脑或可编程控制通常被设置在检测装置和阀之间。正因为如此,一大笔潜在的开销必须被考虑到,那就是编程的费用。
      最灵活的反馈方式就是持续地提供位置反馈。磁致伸缩位移传感器MDT常被安装在油缸内部或旁边来提供精确的位置反馈信号。根据连续的反馈信号,可以通过判断位置变化的快慢来决定运动速度。这个信息对于那些要求运动必须精确而且可以重复的设备和应用来说至关重要。

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图1-1-1.控制系统图显示了比例(P)、积分(I)、微分(D)、速度前馈(Fv)和加速度前馈(Fa)因素如何结合起来实现精确的运动控制

控制输出的选择:

使用开关阀的开环控制——使用开关阀是最简单的,但对流量的控制也是最有限的。用它来实现同步动作控制是非常困难的。当然,用多个开关阀来粗略控制速度还是可能的。过去,系统中并列设置大流量和小流量阀的结构十分普遍。当执行机构靠近设定点的时候,通过关闭大流量阀减少油液的流量来减慢执行机构的速度,仅靠小流量阀供油,当执行机构非常接近设定点时小流量阀也被关闭。这种高低速阀组合的方法可以在不用反馈的情况下,实现相对精确的控制。根据需求,开关阀也可以配合限位开关或持续反馈装置使用。追溯至上个世纪70年代末80年代初,大/小流量阀与MLDT反馈配合的使用常见于锯木厂机械的定位系统。
      使用比例阀的开环控制——用比例阀替代高低速(大/小流量)开关阀可以提高精确度以及产量。甚至简单的系统也可以在没有达到“斜坡区域”之前运用开环控制。当执行机构接近预设的目标点时,输出信号按设定的剩余距离函数的“斜坡”下降。这并不是格的闭环控制,因为误差(实际位置和目标位置之间的距离)并没有被用作反馈。然而,当负载相对恒定时这是一种有效的控制方法。

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比例阀和伺服阀在开环或闭环系统中都可以使用:

有时开环系统就可满足要求。如果一个过程有足够的重复性,那么就可以确定获得期望速度所需的输出信号。这是很容易实现的,因为可以用一个相对简单的控制器或带模拟量输出的PLC。控制器、PLC或者电脑的模拟输出电压信号范围是从-1 0 伏到+ 1 0伏,当作用在阀上的电压改变时,可以使阀芯连续变化。这样只要某些变量如阀的压力和负载保持恒定,就可以粗略地控制流量及速度。稍微复杂但不用闭环的变通方法,是以距离函数来改变控制输出作为反馈。用距离函数使控制输出下降,通常是用一个PLC或者简单的运动控制器来实现的。这种控制形式在对降速平稳性的要求高于对精确性要求的系统中更为适用。通常,这些系统中不需要精确的运动调节。

通信接口和信息交互:

好的控制器应该具备网络支持功能,以便充分发挥它控制能力的优势。对于一个控制器来说,即使能实时改变设定点参数,但如果不能简单快捷的从外部获得设定点的最新参数,那也是毫无意义的。同样,如果一个闭环运动控制器只有几个输入接口来控制几个预设的位置,那么它也算不上灵活。更先进的控制器具有以太网E t h e r N e t 、现场总线Fieldbus、工业以太网PROFIBUS、PROFINET、Modbus、 网络通信协议或者其它现场总线来方便地实现HMI、PLC、PC和DCS的信息交互。这使得零件制造设备能够充分发挥控制器的灵活性,当制造新类型的零件时,只需下载新的设定点数据即可。在某些情况下,比如说木材加工时,针对每一个原木、方木或者板材都需要下载新的数据程序,因为每个木材工件是不同的。能够快速实现信息交互的运动控制器(例如使以太网或SSI端口)的另一个优势就是诊断能力强。最好的控制器能够绘制出期望运动和实际运动的曲线。这个能力大大简化了整个运动系统的调整和诊断修复过程。
      选择开环还是闭环控制系统,最终是由特定液压设备的需求决定的。在某些情况下,使用持续反馈和比例阀开环控制系统或许是明智的选择。总之,不管你选用哪种控制方案,使用适配的运动控制器使电液运动的控制达到最优化才是最佳的选择.

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