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正杰数控车床开关控制与闭环控制的比较

时间: 2015-10-14    作者:admin 点击: ( 938 ) 次

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”,因为执行器突然停止时会发出梆梆的噪音)是固定输出,而闭环伺服控制意味着持续的线性反馈和持续的线性输出控制。
考虑因素
具体地说,可以选用没有反馈的开关阀,利用离散的限位开关或是光电传感器来提供粗略的位置信息,或者也可以使用持续的位置或速度反馈。持续的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)。有很多方法让我们可以通过仅使用带有相同反馈的开式回路或是开关阀,就可以实现与使用伺服或比例阀所达到的相同的功能。总之,一些高端系统用编码器或是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。对这些选择进行列表说明,纵向为反馈的形式,横向为控制的形式(如表1所示)。
反馈
显然,最便宜的反馈方式就是根本不用。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,仅用于最终位置和油缸全伸位置一致的情况。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,这种方式对于很多设备来说已经足够精确。
第二种方式是离散的反馈控制(使用限位开关和光电传感器)。这种方案中使用开关阀或者比例阀来控制数控立车系统。尽管可以把限位开关和光电传感器用线连接到阀上,或使用机械的继电器,但最差的结果会是系统不够灵活。改换线路是非常昂贵的,而且限位开关和光电传感器的位置会根据不同的制造需求而改变。另外,准确的安装限位开关和光电传感器到需要的位置也是非常困难的。因此,为了提供所需要的灵活性,电脑或可编程控制器通常被设置在检测装置和阀之间。正因为如此,一大笔潜在的花销必须被考虑,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。MDT被安装在油缸内部或旁边来精确地提供位置反馈信号。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并可重复的设备来说至关重要。
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。要实现同步动作控制是非常困难的。然而,可以使用多重开关阀来实现对速度的粗略控制。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80年代末90年代初,大/小流量阀与MDT反馈配合的使用常见于锯木机的定位系统。
使用比例阀的开环控制——用比例阀替代高低速开关阀可以提高精确度以及产量。甚至简单的系统也可以运用开环控制直到达到“斜坡区域”。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减小。这并不是严格的闭环控制,因为误差(实际点和目标点的距离)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。
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。PLC或者电脑的模拟输出电压信号范围是从-10伏到+10伏,当作用在阀上的电压改变时,阀芯可以连续的变化。这样只要一些变量,例如通过阀的压力和负载保持恒定,就可以粗略地控制流量及速度。
更加精确的方法是使用反馈以距离函数的形式来改变输出,而不是使回路闭合。把控制输出变成距离函数通常是用一个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要求高于精确性要求的系统中更加适用。通常,这些系统中不需要精确的运动调节。
闭环控制
使用闭环控制主要是因为它的灵活性、准确性、速度可控性以及在不同工况(例如负载变化)下保持精确调节的能力。随着生产率要求的提高,越来越多的设备和生产过程需要使用更复杂的闭环控制器。
最高端的控制就是将持续的反馈和闭环控制相结合。闭环控制将反馈装置发送的位置反馈信号和理想位置做比较。误差与比例增益(将位置误差单元转化为输出电压或电流信号的比率)相乘对输出产生作用。误差越大,纠正这个误差的输出信号就越大。高端的控制器用积分(I)、微分(D)增益及前反馈来提高比例(P)增益。图1所示的控制系统标明各增益相互结合来完成精确的闭环控制。
前馈实际上只是将开环增益做为一个预估因素与闭环控制相结合。例如,如果你知道1V的电压使执行机构以2in./sec.的速度运行,那么加上4V的电压就可以实现8in./sec.的速度。当然,这种假设的前提条件是具有线性的数控立车系统响应,但实际上并不是这样的。然而,如果前馈增益单元被用来提供一个接近所需电压的输出,那么PID增益就能够纠正任何未预期的负载非线性的改变。如果没有前馈单元,PID单元就需要补偿更大的误差,这将导致系统滞后以及不稳定性增加。
PID、前馈、持续反馈以及伺服阀或者伺服比例阀的结合允许控制器以用户设定的速度或加、减速度运动到预期位置。可控的加、减速度减少了数控立车和机械系统的疲劳和破坏。以压力机为例,当工具接近工件时,可以降低速度仅提供工作所需的动能。图2展示了一个高端压力机的数控立车系统,其位置反馈由MDT提供,微分压力(力)反馈由油缸上安装的两个压力传感器提供。控制是通过一个比例伺服阀实现的。

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