開環(huán)控制與閉環(huán)控制怎么選擇 本文告訴你答案

最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題中有一部分是來(lái)自于流體動(dòng)力控制應(yīng)用，因?yàn)樗婕暗慕橘|(zhì)（空氣或液壓油）不會(huì)對(duì)控制輸入做出線性方式的響應(yīng)。使用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制所進(jìn)行的選擇圍繞著反饋的概念，以及特定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將反饋考慮在內(nèi)的重要性。

在閉環(huán)控制中使用反饋會(huì)提供平穩(wěn)和精確的運(yùn)動(dòng)，不過(guò)這需要一個(gè)可以利用反饋信息的運(yùn)動(dòng)控制器。開環(huán)控制可能不需要閉環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)定和編程，不過(guò)它也不具備閉環(huán)系統(tǒng)能夠提供的靈活性和精確性。其決策是根據(jù)應(yīng)用及其需求而定；開環(huán)控制和閉環(huán)控制都有各自的好處和不足。

01什么時(shí)候選擇開環(huán)控制

許多應(yīng)用都使用開環(huán)控制，包括那些并不看重對(duì)一臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一個(gè)控制系統(tǒng)的“業(yè)務(wù)終點(diǎn)”）進(jìn)行精確位置或速度控制的情況。使用開環(huán)控制，不用努力將實(shí)際的速度或一套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)施加的壓力或力量與計(jì)算出來(lái)的目標(biāo)值匹配起來(lái)。有了一個(gè)要達(dá)到的目標(biāo)，而系統(tǒng)怎么達(dá)到并不是非常重要。

通常來(lái)說(shuō)，在速度很重要而精確操作并不重要的情況下會(huì)使用開環(huán)控制，例如在機(jī)加工步驟完成之后將工具收縮回來(lái)的操作，或者在接觸加工部件之前將工具預(yù)先定位的操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)變換速度，或者是液壓系統(tǒng)的情況下根據(jù)油壓和油溫的變化來(lái)變換速度。

開環(huán)控制并不是完全“沒有反饋”的。開環(huán)控制會(huì)使用獨(dú)立的限位開關(guān)、光電檢測(cè)器或壓力開關(guān)來(lái)決定運(yùn)動(dòng)應(yīng)該在什么時(shí)候停止或什么時(shí)候達(dá)到一個(gè)壓力限值。一些特殊的運(yùn)動(dòng)控制器一般不需要運(yùn)行啟/停的運(yùn)動(dòng)控制，例如一臺(tái)可編程邏輯控制器（PLC）的通用計(jì)算機(jī)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(huì)帶來(lái)問(wèn)題，因?yàn)槿绻麢C(jī)器是被用來(lái)加工不同尺寸的材料，在產(chǎn)品切換的過(guò)程中限位裝置的物理位置需要移動(dòng)。

在流體動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置的過(guò)程中可以使用開環(huán)控制，例如在檢查閥門接管和接線的極性時(shí)，找到正限位和負(fù)限位、檢查閥門線性以及檢查平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)。

該圖是使用在高階壓力的液壓系統(tǒng)，具有從位于液壓缸內(nèi)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(hào)。對(duì)于液壓流體流動(dòng)的控制是通過(guò)一個(gè)比例閥進(jìn)行的。運(yùn)動(dòng)控制器可以經(jīng)過(guò)編程在壓缸和沖模接觸到加工部件的時(shí)候平順地從開環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到閉環(huán)運(yùn)動(dòng)，然后在壓力機(jī)壓頭回縮的時(shí)候再過(guò)渡回開環(huán)運(yùn)動(dòng)。

02什么時(shí)候選擇閉環(huán)控制

對(duì)于那些需要輪廓跟隨、同步或根據(jù)一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)另一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)、或需要高精度的高速運(yùn)行靈活性或速度的應(yīng)用場(chǎng)合，必須使用閉環(huán)控制。其他需要閉環(huán)控制的應(yīng)用包括在負(fù)載或環(huán)境條件變化的情況下需要保持精度的應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用的需求不同，可以獲得不同復(fù)雜程度的閉環(huán)控制。一些簡(jiǎn)單的模擬控制器僅僅運(yùn)行比例控制，即控制器調(diào)整輸出的變化是作為實(shí)際的溫度、流量、位置、速度或壓力值和目標(biāo)值之間的差值幅度的函數(shù)。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(duì)于一些運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果具備足夠的機(jī)械摩擦來(lái)提供阻尼，從而避免震蕩發(fā)生的機(jī)會(huì)，僅用比例控制就完全可以工作。然而，許多液壓系統(tǒng)傾向于阻尼不足的情況（動(dòng)作起來(lái)就像彈簧上的一塊物體）。在這種情況下，想要通過(guò)增大比例增益的值來(lái)獲得震蕩系統(tǒng)的控制可能實(shí)際上會(huì)讓震蕩更嚴(yán)重。

既然僅僅依賴P增益的控制系統(tǒng)需要一個(gè)誤差來(lái)使系統(tǒng)在一個(gè)特定的速度上移動(dòng)，如果出現(xiàn)變化速度的需求，系統(tǒng)對(duì)新輸入的響應(yīng)會(huì)滯后。對(duì)于更加緊密的閉環(huán)控制，其他的增益方式會(huì)扮演一個(gè)特定的角色。

要想讓一條運(yùn)動(dòng)軸快速可靠地移動(dòng)到目標(biāo)位置，使用比例增益往往是必要的。即便是實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的微小誤差也會(huì)使僅僅使用比例控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)到目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。

系統(tǒng)的機(jī)械現(xiàn)實(shí)，例如一個(gè)液壓閥的零點(diǎn)特性的變化或者移動(dòng)部件（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)）之間的摩擦，可能會(huì)阻止系統(tǒng)撞擊目標(biāo)。控制方程式中的積分器部分會(huì)積累一段時(shí)間的誤差，最終會(huì)增加必要的輸出量來(lái)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)。

微分增益的作用是在比例增益增加的時(shí)候提供電子阻尼，來(lái)幫助保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會(huì)震蕩。微分增益工作的好壞取決于一些關(guān)鍵因素，例如反饋設(shè)備輸出值的分辨率以及是否嚴(yán)格遵守已知的采樣時(shí)間。既然微分增益是用于速度誤差量的倍數(shù)因素，那么運(yùn)動(dòng)軸的速度得到精確確認(rèn)是至關(guān)重要的。

03閉環(huán)控制中的前饋

閉環(huán)控制系統(tǒng)的有效性取決于系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)量值和目標(biāo)值之間的誤差的響應(yīng)。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(huì)有任何運(yùn)動(dòng)。在許多應(yīng)用中，這不是問(wèn)題，不過(guò)在誤差發(fā)生之前對(duì)需要的輸出有個(gè)估計(jì)還是可以增強(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)跟蹤的精度和平滑度。這就是前饋增益發(fā)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(biāo)速度和加速度，經(jīng)過(guò)求和得出對(duì)于輸出的貢獻(xiàn)。

前饋真的僅僅是被用作預(yù)測(cè)因素的開環(huán)增益。它們?cè)谝簤合到y(tǒng)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(gè)液壓缸內(nèi)的桿側(cè)的工作方式和在活塞的開放側(cè)的工作方式的物理性差別。通常要求采用不同的增益來(lái)獲得在每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上想要的活塞的速度及加速度。

在理論上，如果預(yù)測(cè)增益計(jì)算正確，當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)應(yīng)該不會(huì)有誤差。在真實(shí)的世界里，系統(tǒng)不會(huì)完美地工作。始終要記住系統(tǒng)穩(wěn)定性，目標(biāo)是使用預(yù)測(cè)方式來(lái)使系統(tǒng)能夠在期望的運(yùn)動(dòng)輪廓的90%到95%范圍內(nèi)工作。那么PID算法的糾錯(cuò)能力僅僅需要處理5%到10%。

在確保精確的系統(tǒng)運(yùn)作的同時(shí)，使用可編程運(yùn)動(dòng)控制器具有額外的優(yōu)勢(shì)，即可以使控制參數(shù)快速簡(jiǎn)單地改變來(lái)滿足不斷變化的生產(chǎn)的需求?？梢酝ㄟ^(guò)以太網(wǎng)從一臺(tái)監(jiān)控PLC或計(jì)算機(jī)下載新的設(shè)定值，以啟用新的部件類型，而且對(duì)于參數(shù)多久可以改變一次沒有限制。

使用電子運(yùn)動(dòng)控制器更加嚴(yán)密的控制運(yùn)動(dòng)輪廓帶來(lái)了額外的好處，可以讓運(yùn)動(dòng)更加平順、減少機(jī)器的沖擊和振動(dòng)、減少維護(hù)成本、以及延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。出現(xiàn)這些好處的同時(shí)也改善了生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。

在液壓應(yīng)用中進(jìn)行壓力或力量控制時(shí)需要注意的是，如果與運(yùn)動(dòng)相對(duì)方向上的力或者負(fù)載突然消失，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)突然動(dòng)起來(lái)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，使用具有壓力或力量限制功能的開環(huán)控制可以是比較好的解決方案，可以將不需要的控制響應(yīng)的影響降到最低。

04開環(huán)控制和閉環(huán)控制的結(jié)合

在同一臺(tái)機(jī)器上，開環(huán)控制經(jīng)常會(huì)與閉環(huán)控制相結(jié)合，在機(jī)器工作周期的不同部分使用其中一種控制方式，來(lái)達(dá)到提供最佳優(yōu)勢(shì)的目的。例如，可以在回縮方向上使用開環(huán)運(yùn)動(dòng)來(lái)快速打開一臺(tái)沖床，因此加工完的部件就能釋放出來(lái)。

調(diào)整機(jī)器的運(yùn)行可以得到全面的簡(jiǎn)化，因?yàn)橹挥猩煺狗较颍ㄍ瓿蓻_壓操作的那部分工作周期）上必須調(diào)整到可以精確運(yùn)行，工作周期的開環(huán)部分不需要被調(diào)整。

為流體動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)合選擇閉環(huán)控制還是開環(huán)控制最終還是取決于特定應(yīng)用的需求。使用一臺(tái)經(jīng)過(guò)編程可以在不同模式之間切換的運(yùn)動(dòng)控制器，系統(tǒng)集成商可以同時(shí)獲得兩種方式的優(yōu)勢(shì)。

然而，應(yīng)該注意到即便是最好的運(yùn)動(dòng)控制器也不能彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體不良或在系統(tǒng)中的其他地方選擇不佳的部件，例如電機(jī)、閥門或閉環(huán)控制回路需要的傳感器。