閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：通過運(yùn)動(dòng)控制器使液壓能的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮來滿足現(xiàn)代機(jī)構(gòu)控制更加精確的要求。包含比例，積分，微分(P，I和D)增益參數(shù)的控制環(huán)節(jié)已經(jīng)成為運(yùn)動(dòng)控制器的標(biāo)準(zhǔn)功能，并且增加了額外的控制參數(shù)對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化。例如，增加了前饋增益來滿足增加的動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)，同時(shí)減小位置和速度誤差。這會(huì)使機(jī)器控制性能變的更高，同時(shí)由于運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)器壽命也變的更長。
運(yùn)動(dòng)控制器采用比例，積分，微分增益的結(jié)合來產(chǎn)生控制信號(hào)，以降低目標(biāo)位置和實(shí)際位置的誤差。比例增益(P)與目標(biāo)位置和實(shí)際位置的瞬間誤差進(jìn)行簡單的相乘，從而成比例的作用于下一時(shí)刻的控制信號(hào)。誤差越大，產(chǎn)生的控制信號(hào)越大。
積分增益(I)與一段時(shí)間內(nèi)的位置誤差的總和相乘來對(duì)輸出產(chǎn)生積分作用。即使在任何時(shí)間段的誤差都很小，誤差的總和會(huì)最終增加到一個(gè)使誤差降低的臨界點(diǎn)。
微分增益(D)與目標(biāo)和實(shí)際速度的誤差相乘[WHM1]
。微分增益對(duì)輸出控制信號(hào)的作用與目標(biāo)和實(shí)際位置偏差的發(fā)散和收斂速率成正比。為簡單起見，我們通過采用一個(gè)具有足夠的阻尼因子的系統(tǒng)，忽略微分增益。
只使用PID控制的一個(gè)局限在于，比例環(huán)節(jié)需要一個(gè)誤差來產(chǎn)生控制輸出，積分環(huán)節(jié)則需要誤差和時(shí)間。用于控制電液閥的輸出信號(hào)總是與負(fù)載的目標(biāo)位置和實(shí)際位置的誤差相關(guān)。在很多情況下，如果僅僅使用比例增益，誤差需要足夠大才能產(chǎn)生理想的控制信號(hào)。增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)會(huì)通過誤差的積累，使輸出的控制信號(hào)增大，但是積分環(huán)節(jié)使輸出信號(hào)增加需要時(shí)間。
通常，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)動(dòng)作發(fā)生的很快，因?yàn)榉e分器沒有充足的時(shí)間進(jìn)行誤差積累，所以在這里很少用到積分器。即使積分器積累了誤差，在誤差減小時(shí)也很可能會(huì)造成位置控制的超調(diào)。
當(dāng)目標(biāo)位置與實(shí)際位置之間的誤差信號(hào)改變時(shí)，積分器誤差積累減小。這種現(xiàn)象只有當(dāng)實(shí)際位置超調(diào)于目標(biāo)位置一定量時(shí)才會(huì)發(fā)生，通常在動(dòng)作控制系統(tǒng)中我們并不希望這種現(xiàn)象發(fā)生。運(yùn)動(dòng)控制器可以減少前反饋控制環(huán)的元件數(shù)，從而降低積分器在動(dòng)作中的使用頻率。
前反饋使用運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)或動(dòng)作曲線生成器的信息。通常，高性能控制器的控制原則是：運(yùn)動(dòng)控制器生成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線，之后由控制回路控制實(shí)際運(yùn)動(dòng)跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線(就像在驢子面前栓一根蘿卜來引導(dǎo)它前進(jìn))。
目標(biāo)動(dòng)作在一段時(shí)間后就會(huì)刷新，可能每毫秒都會(huì)刷新一次。在每次PID控制器刷新前，目標(biāo)生成器會(huì)計(jì)算動(dòng)作預(yù)期的位置、速度和加速度等參數(shù)。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器“知道”目標(biāo)速度和加速度，所以它不需要等待PID控制響應(yīng)目標(biāo)位置與實(shí)際位置的誤差，就可以直接輸出達(dá)到滿足速度和加速度要求的控制信號(hào)。
輸出信號(hào)的強(qiáng)度由前反饋增益決定，前反饋增益是一個(gè)預(yù)測(cè)的參數(shù)。PID增益是與反饋誤差相乘，與其不同的是，前反饋增益是預(yù)測(cè)的增益，其參數(shù)與目標(biāo)速度和加速度分別相乘后再相加，通過相加后的和產(chǎn)生控制信號(hào)。如圖1所示。前反饋對(duì)輸出電流的控制基于一個(gè)簡單的公式，
前反饋輸出組成 = Kv × 目標(biāo)速度 + Ka × 目標(biāo)加速度
其中，Kv表示速度前反饋;
Ka表示加速度前反饋。
值得注意的是，運(yùn)動(dòng)控制可以通過不同的方式實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，很多因素共同作用決定控制電流的大小。輸出電流可以由PID控制的負(fù)反饋處獲得，可以由正反饋的計(jì)算中獲得，也可由兩者組合獲得。不過，在相同條件下獲得的控制電流都能達(dá)到相同的速度。系統(tǒng)并不在乎控制電流是從前反饋中得到的還是在PID控制中得到的。我們可以在圖2a，2b，2c中觀察到上述現(xiàn)象。
如果系統(tǒng)沒有高速運(yùn)動(dòng)，為什么不僅僅提高PID增益呢?因?yàn)闉榱吮ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用于計(jì)算的反饋增益不能過大。通常，在不引起震蕩和失穩(wěn)的條件下，增大負(fù)反饋增益以達(dá)到減小誤差的要求。從前反饋中獲得控制信號(hào)的好處在于，前反饋并不像PID控制那樣，依靠誤差信號(hào)生成控制信號(hào)。
設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定和便于調(diào)試的系統(tǒng)的關(guān)鍵在于，盡可能多的利用前反饋獲得控制信號(hào)，并盡可能減少使用PID控制獲得控制信號(hào)。這樣結(jié)果的誤差就會(huì)達(dá)到最小。
設(shè)計(jì)者要利用PID單元，去補(bǔ)償系統(tǒng)的環(huán)境因素(如溫度和濕度)和系統(tǒng)響應(yīng)中會(huì)隨時(shí)間改變的非線性部分(如系統(tǒng)的變化載荷)，這些參數(shù)在前反饋中無法進(jìn)行估值的。
圖2a.通過RMCTools軟件得到的實(shí)際和理想運(yùn)動(dòng)曲線。在這里只使用了比例增益環(huán)節(jié)。實(shí)際速度和位置與期望速度和位置的差別很大。實(shí)際位置曲線(紅色)和目標(biāo)位置曲線(青色)間的區(qū)域是產(chǎn)生比例增益所必需的誤差，這個(gè)誤差可以通過增加前饋環(huán)節(jié)來消除。
圖2b.在圖2a的系統(tǒng)中加入了速度前反饋。由于運(yùn)動(dòng)速度恒定，位置誤差(紅色和藍(lán)色曲線之間的區(qū)域)已經(jīng)被減小了很多，但是，在加速和減速的過程中，仍然存在位置誤差(見卵形曲線內(nèi)的部分)。
圖2c.圖中運(yùn)動(dòng)曲線是在與圖2a和2b同樣的系統(tǒng)中，同時(shí)加入速度和加速度前反饋后得到的。實(shí)際的位置曲線與理想曲線很好的吻合。這是一個(gè)最佳的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
速度前反饋系統(tǒng)的動(dòng)作
運(yùn)動(dòng)控制器使用速度前反饋增益，計(jì)算出使執(zhí)行元件以給定速度動(dòng)作的控制電流。
通過控制伺服閥，系統(tǒng)使液壓缸的一端通液壓油，一端排出液壓油，從而驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作。為了使液壓缸以給定速度運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)需要控制液壓油的流量，并確保作用在活塞上的凈力與負(fù)載的牽引力和液壓缸的摩擦力的和相等。
我們能憑經(jīng)驗(yàn)估算出各速度下的控制電流強(qiáng)度。這部分會(huì)由速度前反饋單元自動(dòng)完成。如圖2b，引入速度前反饋增益后系統(tǒng)的位置精度更高了。
舉例說明，我們給閥輸入控制信號(hào)最大強(qiáng)度的10%的控制信號(hào)，并測(cè)量執(zhí)行元件的速度。如果此時(shí)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度為1英尺每秒的話，那么我們就可以估算出在控制信號(hào)為最大信號(hào)30%的時(shí)候，執(zhí)行元件的速度大概為3英尺每秒。換句話說，系統(tǒng)的開環(huán)增益是使系統(tǒng)在10%控制電流下以每秒1英尺運(yùn)動(dòng)。
前反饋增益的設(shè)置方式應(yīng)該與系統(tǒng)開環(huán)增益相反，所以系統(tǒng)的前反饋為每1英尺每秒的速度對(duì)應(yīng)于10%的控制電流。運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)在給定新的目標(biāo)速度后利用前反饋計(jì)算出控制電流。
速度前反饋調(diào)節(jié)
如上文所述，我們經(jīng)常依靠觀察系統(tǒng)開環(huán)動(dòng)作來決定速度前反饋的增益。不過，在一些執(zhí)行元件和應(yīng)用中，我們需要做更多的工作。
比如說單桿活塞缸就必須在伸出方向和縮回方向上分別調(diào)試。因?yàn)榛钊麠U兩側(cè)作用面積不同，在系統(tǒng)的伸出和縮回階段需要設(shè)置不同的PID控制和前反饋增益。通過計(jì)算伸出和縮回的速度比，就可以確定伸出和縮回時(shí)的增益比率。
這也就是說，我們可以通過先給系統(tǒng)輸入+10%的控制電流，然后輸入-10%的控制電流，觀察單桿活塞缸在不同方向上的運(yùn)動(dòng)速度，來確定前反饋增益比。即使執(zhí)行元件是對(duì)稱的，系統(tǒng)仍然存在非線性環(huán)節(jié)。比如懸掛重物時(shí)，重力會(huì)促使執(zhí)行器向下運(yùn)動(dòng)而阻礙執(zhí)行器向上動(dòng)作。
理想狀態(tài)下，系統(tǒng)可以完全使用前反饋增益工作。但實(shí)際上，負(fù)載會(huì)變化而且系統(tǒng)中存在非線性部分，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)通過PID增益輔助前反饋功能。如果系統(tǒng)負(fù)載更大，要求用32%的控制電流代替之前的30%控制電流工作。控制環(huán)中的PID元件可以提供2%的控制電流增益。速度前反饋提供的30%控制電流提供主要?jiǎng)恿Α?br />