压力环境下：运用运动控制器进行压力控制

压力控制在压力机、磨削加工和测试系统中经常被用到。这些应用往往需要控制压力值的增加，这种控制的复杂度及精密度远远高于普通溢流阀或压力调节器可以达到的程度。现代应用可以充分利用净力的优势。这一优势通过使用差动控制实现，即将活塞两侧的压力与分别与其对应的面积相乘获得作用力，然后用无杆腔的力减去有杆腔的力获得净力。

现在常用的闭环控制方法是通过补偿介质的粘度变化来实现对压力的精确控制。利用已经通过验证的PID算法比用带有弹簧的机械设备所能提供的有限比例调节控制要精密得多。这一特殊的性能使我们得以在控制压力的同时修正和减小超调量。

压力是什么?为什么它对于精确控制如此重要呢?

压力是单位面积上受到的力，即总的力比上总的受力面积。液压系统中的压力是通过对定容系统中的油液施加力或向定容系统添加油液而产生的。本文中，我们将忽略热膨胀的影响。

压力变化的基本公式：

这一公式告诉我们，压力随着容量及体积弹性模量β的改变而改变，而体积弹性模量β反应了液体的压缩性。比如，油的体积弹性模量大约为200,000 psi，而水的体积弹性模量则大约为312,000 psi。这就意味着如果容量减少0.1%，油压将增加200 psi而水压将增加312psi。也就是说，水比油更难压缩。

下面的公式定义了时间对力及压力的影响：

也就是说，假设体积和体积弹性模量为常量，在已知速度、流量和当前容量的前提下，我们就可以计算出任意时刻的力以及压力的变化率。

接下来我们将就公式(2)、(3)做重点讨论。

公式的应用

压力可通过多种途径进行控制，常用方法是利用伺服阀或者带有伺服性质阀芯的比例阀。方程2表明要想提高一定的压力，必须将液体注入腔体之中。液体添加的速率应与期望的压力升幅成正比。当压力达到理想值时，停止加注，然后系统一直保持压力恒定。实际应用中，少量泄漏总是存在，控制器必须以液体泄漏的速率向系统添加液体。因此，净流量Q始终为零并且压力变化率亦为零。若要减小压力则必须调节滑阀使液体流过阀体。当达到理想压力值时，阀体再次关闭以保持压力恒定。此处的关键是压力变化率决定于流量而非压力本身。

如果系统设计得当，可用典型的比例阀来进行压力控制。其关键在于阀体的A口和 B口之间要设有专门的缝隙或孔隙。在已知最大理想压降速率的前提下，方程2 和方程3 可用来计算理想泄漏量。运动控制器必须控制阀体使其一直以等同于液体经由孔隙流失的速度向系统提供液体。如果流量过低，压力就会随着液体的流出而降低。如果流量过高，压力就会提升。该方法的优点是当系统运动时受到阻尼的作用不会产生剧烈震动。

控制的意义

在一个液压驱动系统中，压力可能会在一毫秒内迅速增加。但是机械设备不会如此快速地进行响应。机械系统受压力支配，而非压力变化率。因此，如果压力变化率未受控制，很容易使机械设备跳变至设定值。试想你正在开车，当看到红灯时你会逐渐减速至平缓停车，而非急停。压力控制器应该完成同样的工作。

在进行压力控制时，至少应考虑以下四点：

1、压力传感器反应时间必须足够快。在材料不容易被压缩的情况下，油压以每毫秒200psi的速度增加是常见的。具备毫秒级时间常量的压力传感器在使用中并不能足够快速地对压力变化做出反应。压力反应时间常数必须在100μs的级别才能正常工作。如果单凭经验的方法使用传感器进行测量，其速度至少比预期的快十倍。

2、压力传感器的采样时间必须快速并且有固定间隔。在实际应用中，如上面提到的金属冲压，压力能在短短10毫秒中变化数百psi。

3、采样时间必须是常量。如果扫描规定时间是每次10毫秒，而实际上是一次9毫秒一次11毫秒，则压力比率的计算结果将相差至少20%。因此，对于精准计算压力变化率，恒定的采样时间是十分重要的。

4、PLC不一定是最好的选择。PLC中PID的功能最初是被设计用来控制温度或者气压的，而不是用于很难被压缩的流体。当它们是在毫秒级范围内变化时，PLC 中PID的时间常数是分钟级的。对于压力控制，需要特殊设计的PID控制器。

控制选项

首先要明白，虽然我们可以控制位置、力或压力，但在同一时刻做不到三者兼顾。无论在任何位置，如果存在阻碍作用，执行机构会受到一个与驱动力大小相等、方向相反的阻力。通过用执行机构做正弦运动试验，我们可以监测压力，但无法在控制其位置的同时控制压力或力的大小。因为压力或者力是由测试的样品作用在执行机构上的力决定的。执行机构可以提供正弦的力或压力，但它的位置是由试验材料的弹性系数的线性度决定的。

压力

在运动过程中可能不存在干扰，所以试图控制压力或力是没有意义的。仅控制压力或力的优点就是不需要考虑位置。操作者可以简单改变设定点，但必须注意空载的情况。在类似情况下，液压缸的活塞会加速直到压力与设定值相匹配。在仅对压力或者力进行控制的测试中，应该监测执行机构的速度，以免出现负载突然下降的情况。当检测到负载消失时，执行机构可能要转换到位置或是速度模式。

位置和压力限制

另外一个选择是通过压力或力限制来实现对位置或速度的限制。通过同时运行两个控制回路来工作，并且仅将两个控制输出的最小值传给液压阀。系统将达到位置设定值还是压力设定值取决于哪一个首先达到。所以，如果液压缸在压力设定值时负载突然消失，压力将会下降并引发压力PID控制器产生一个大的控制信号。然而，当系统加速时，速度误差下降，从PID速度控制器而来的控制信号随着误差的减小而减小。两个信号中较小的值来自速度PID控制器。所以执行机构现在由位置回路选项所控制，而不会超过速度的设定值。

压力或力控制的启动和调节

调节是选择一个最好的增量以便对位置、速度、压力或力进行最优控制的过程。调节压力或压强控制系统与调节位置系统不同，因为当压力变化时，液压缸不会产生太大的移动。调节压力或力的最简单的方法，是使执行机构完全伸出直到达到系统压力，同时将所有增益设置为0。然后，输入设定值或仅用PID中的一个小的比例增益。这个“小”比例增益可以由下式估算：

这个公式可使工作人员确定在压力调节过程中无法确定的启动调节的位置。可以通过找到全输出是10V或者40mA或者阀100%的控制信号来开始工作，并且使用VCCM方程来计算最大速度(参考Jack L.Johnson P.E的《气缸运动控制基础电子学》)，也可通过查表来确定。动力方程必须除以面积的两倍。这是因为活塞一边压力的增长伴随着另一边压力的下降。

注：估计的比例增益不是准确的，但是它们会非常接近理想的初始值。

当比例增益被激活时，系统的压力或力将到达设定值或接近它。绝大多数的误差是由于泄漏造成的。下一步就是通过慢慢增加积分增益，使控制器补偿或增加流量，直到误差为零。

现在，系统是可控的，它可通过动态响应进行调节。是通过调整工作频段的两个压力间的斜坡来实现的。压力或力的斜坡在开始时应该缓慢增长，因为这样更容易保持控制。这个PID增益应该是可调的，以达到更好的控制效果。尝试调节压力或力PID去响应系统的阶跃变化时非常困难的，而且很难获得满意的结果，因为压力冲击会造成泄漏。平稳的压力转换是一个很好地解决方法。当改变压力或力时，系统动作将取决于压力在两设定值间的增长和下降。

从位置控制到压力或力控制的转变

许多应用需要将压力或力控制与位置控制相结合，如图1所示：

红线是液压缸的位置;横轴为时间;纵轴为幅值;蓝线代表压力。

建立这样的系统需要机械学和控制学的相关知识。如果材料容易被压缩的话，从位置控制到压力控制的转变就相对容易，因为材料变形过程中可以吸收很多能量。相反的，对于金属与金属间的挤压块和停止块，从位移控制转变到压力或力控制就比较困难。因为停止块不能吸收过多的能量。但是我们可以调整接触速度，使执行机构和冲模或者机床的总动能与工作件上吸收与释放的能量相匹配。简单来说，由于液压系统不能快速换向或者释放多余的能量，如果执行机构和冲模的运动速度足够快，将会产生瞬时压力。如果执行机构接近工件的速度太慢，那么当到达工件的时候，压力将会出现延迟。这就需要执行机构在开始的时候就形成足够大的压力，而这个过程通常很慢且不能达到理想值。

调整位置控制和压力控制的坐标系有一些需要特别考虑之处。通常，控制器生产商提供的绘制调节工具是很有帮助的。例如，使用Delta的RMCTool软件，在选取了某些初始恒定的PID 及前馈增益之后，可以使用调节工具对话框中的命令按钮，来控制轴或者斜坡在指定时间内达到指定压力。这种调节是双向进行的，而且还可时时的对目标值和实际值进行比较，并决定是否需要改变压力控制回路中的增益参数。

图2是一个极具代表性的金属受压图，它体现了金属受压过程中从位置控制到压力控制的一系列变化。在0.1秒时，压力斜坡到一个预期的压力值，并且在金属冲压过程中保持一小段时间;然后，在大约0.4秒时进入循环，控制器通过转换力控制和启动倒退模式来完成冲压循环。