揭示闭环控制的秘密：用前馈控制系统使调节更加容易

闭环控制系统的优势在于：通过运动控制器使液压能的优势得到发挥来满足现代机构控制更加精确的要求。包含比例，积分，微分(P，I和D)增益参数的控制环节已经成为运动控制器的标准功能，并且增加了额外的控制参数对控制算法进行优化。例如，增加了前馈增益来满足增加的动力系统响应，同时减小位置和速度误差。这会使机器控制性能变的更高，同时由于运行平稳，机器寿命也变的更长。

运动控制器采用比例，积分，微分增益的结合来产生控制信号，以降低目标位置和实际位置的误差。比例增益(P)与目标位置和实际位置的瞬间误差进行简单的相乘，从而成比例的作用于下一时刻的控制信号。误差越大，产生的控制信号越大。

积分增益(I)与一段时间内的位置误差的总和相乘来对输出产生积分作用。即使在任何时间段的误差都很小，误差的总和会最终增加到一个使误差降低的临界点。

微分增益(D)与目标和实际速度的误差相乘[WHM1] 。微分增益对输出控制信号的作用与目标和实际位置偏差的发散和收敛速率成正比。为简单起见，我们通过采用一个具有足够的阻尼因子的系统，忽略微分增益。

只使用PID控制的一个局限在于，比例环节需要一个误差来产生控制输出，积分环节则需要误差和时间。用于控制电液阀的输出信号总是与负载的目标位置和实际位置的误差相关。在很多情况下，如果仅仅使用比例增益，误差需要足够大才能产生理想的控制信号。增加一个积分环节会通过误差的积累，使输出的控制信号增大，但是积分环节使输出信号增加需要时间。

通常，点对点动作发生的很快，因为积分器没有充足的时间进行误差积累，所以在这里很少用到积分器。即使积分器积累了误差，在误差减小时也很可能会造成位置控制的超调。

当目标位置与实际位置之间的误差信号改变时，积分器误差积累减小。这种现象只有当实际位置超调于目标位置一定量时才会发生，通常在动作控制系统中我们并不希望这种现象发生。运动控制器可以减少前反馈控制环的元件数，从而降低积分器在动作中的使用频率。

前反馈使用运动控制器的目标或动作曲线生成器的信息。通常，高性能控制器的控制原则是：运动控制器生成目标运动曲线，之后由控制回路控制实际运动跟随目标运动曲线(就像在驴子面前栓一根萝卜来引导它前进)。

目标动作在一段时间后就会刷新，可能每毫秒都会刷新一次。在每次PID控制器刷新前，目标生成器会计算动作预期的位置、速度和加速度等参数。因为运动控制器“知道”目标速度和加速度，所以它不需要等待PID控制响应目标位置与实际位置的误差，就可以直接输出达到满足速度和加速度要求的控制信号。

输出信号的强度由前反馈增益决定，前反馈增益是一个预测的参数。PID增益是与反馈误差相乘，与其不同的是，前反馈增益是预测的增益，其参数与目标速度和加速度分别相乘后再相加，通过相加后的和产生控制信号。如图1所示。前反馈对输出电流的控制基于一个简单的公式，

前反馈输出组成 = Kv × 目标速度 + Ka × 目标加速度

其中，Kv表示速度前反馈;

Ka表示加速度前反馈。

值得注意的是，运动控制可以通过不同的方式实现。如图1所示，很多因素共同作用决定控制电流的大小。输出电流可以由PID控制的负反馈处获得，可以由正反馈的计算中获得，也可由两者组合获得。不过，在相同条件下获得的控制电流都能达到相同的速度。系统并不在乎控制电流是从前反馈中得到的还是在PID控制中得到的。我们可以在图2a，2b，2c中观察到上述现象。

如果系统没有高速运动，为什么不仅仅提高PID增益呢?因为为了保证系统的稳定性，用于计算的反馈增益不能过大。通常，在不引起震荡和失稳的条件下，增大负反馈增益以达到减小误差的要求。从前反馈中获得控制信号的好处在于，前反馈并不像PID控制那样，依靠误差信号生成控制信号。

设计一个稳定和便于调试的系统的关键在于，尽可能多的利用前反馈获得控制信号，并尽可能减少使用PID控制获得控制信号。这样结果的误差就会达到最小。

设计者要利用PID单元，去补偿系统的环境因素(如温度和湿度)和系统响应中会随时间改变的非线性部分(如系统的变化载荷)，这些参数在前反馈中无法进行估值的。

图2a.通过RMCTools软件得到的实际和理想运动曲线。在这里只使用了比例增益环节。实际速度和位置与期望速度和位置的差别很大。实际位置曲线(红色)和目标位置曲线(青色)间的区域是产生比例增益所必需的误差，这个误差可以通过增加前馈环节来消除。

图2b.在图2a的系统中加入了速度前反馈。由于运动速度恒定，位置误差(红色和蓝色曲线之间的区域)已经被减小了很多，但是，在加速和减速的过程中，仍然存在位置误差(见卵形曲线内的部分)。

图2c.图中运动曲线是在与图2a和2b同样的系统中，同时加入速度和加速度前反馈后得到的。实际的位置曲线与理想曲线很好的吻合。这是一个最佳的调节系统。

速度前反馈系统的动作

运动控制器使用速度前反馈增益，计算出使执行元件以给定速度动作的控制电流。

通过控制伺服阀，系统使液压缸的一端通液压油，一端排出液压油，从而驱动液压缸动作。为了使液压缸以给定速度运动，系统需要控制液压油的流量，并确保作用在活塞上的净力与负载的牵引力和液压缸的摩擦力的和相等。

我们能凭经验估算出各速度下的控制电流强度。这部分会由速度前反馈单元自动完成。如图2b，引入速度前反馈增益后系统的位置精度更高了。

举例说明，我们给阀输入控制信号最大强度的10%的控制信号，并测量执行元件的速度。如果此时执行元件运动速度为1英尺每秒的话，那么我们就可以估算出在控制信号为最大信号30%的时候，执行元件的速度大概为3英尺每秒。换句话说，系统的开环增益是使系统在10%控制电流下以每秒1英尺运动。

前反馈增益的设置方式应该与系统开环增益相反，所以系统的前反馈为每1英尺每秒的速度对应于10%的控制电流。运动控制器会在给定新的目标速度后利用前反馈计算出控制电流。

速度前反馈调节

如上文所述，我们经常依靠观察系统开环动作来决定速度前反馈的增益。不过，在一些执行元件和应用中，我们需要做更多的工作。

比如说单杆活塞缸就必须在伸出方向和缩回方向上分别调试。因为活塞杆两侧作用面积不同，在系统的伸出和缩回阶段需要设置不同的PID控制和前反馈增益。通过计算伸出和缩回的速度比，就可以确定伸出和缩回时的增益比率。

这也就是说，我们可以通过先给系统输入+10%的控制电流，然后输入-10%的控制电流，观察单杆活塞缸在不同方向上的运动速度，来确定前反馈增益比。即使执行元件是对称的，系统仍然存在非线性环节。比如悬挂重物时，重力会促使执行器向下运动而阻碍执行器向上动作。

理想状态下，系统可以完全使用前反馈增益工作。但实际上，负载会变化而且系统中存在非线性部分，运动控制器会通过PID增益辅助前反馈功能。如果系统负载更大，要求用32%的控制电流代替之前的30%控制电流工作。控制环中的PID元件可以提供2%的控制电流增益。速度前反馈提供的30%控制电流提供主要动力。