一种双闭环控制系统和方法与流程

1.本技术涉及pid控制技术领域，尤其涉及一种双闭环控制系统和方法。


背景技术：

2.液压系统，与电动系统相比，可以在能量耗费更少的情况下，提供更大的保持力，但液压系统不能提供精确的控制。大部分液压执行部件是开关阀，常用的控制方式为开环控制，或者是简单的不精确的反馈机制进行控制，例如通过限位开关或操作人员控制的操作杆。随着液压伺服控制技术的发展，已经可以实现对液压系统位置的精确控制。但在一些应用领域，如加持力控制，不仅需要位置控制，还需要力的控制。
3.传统的力控通过溢流阀来限制施加在负载上的力，但该方法无法考虑到加载物体上的合力，溢流阀只能控制一侧的压力。还有通过安装压力传感器实现压力的精确控制，在实际应用中，如果系统正处于力控模式，此时负载突然移除，执行机构会忽然加速前冲，试图达到所设定的力的期望值，此时容易发生碰撞，影响设备安全。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种双闭环控制系统和方法，用于改善现有技术通过安装压力传感器实现压力的精确控制，当系统正处于力控模式，负载突然消失时，执行机构试图达到所设定的力的期望值，忽然加速前冲，而导致发生碰撞，影响设备安全的技术问题。
5.有鉴于此，本技术第一方面提供了一种双闭环控制系统，包括：控制器、位置闭环控制模块、压力闭环控制模块和执行机构，所述位置闭环控制模块和所述压力闭环控制模块均由pid控制器和前馈控制单元构成；
6.所述控制器，用于根据所述执行机构是否存在负载来选择控制模式，所述控制模式包括位置控制模式和压力控制模式；
7.所述位置闭环控制模块，用于在处于位置控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动所述执行机构进行移动，在获取到当前位置和目前位置的位置偏差后，通过pid控制器根据所述位置偏差驱动所述执行机构进行位置闭环控制；
8.所述压力闭环控制模块，用于在处于压力控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动所述执行机构进行移动，在获取到当前压力值和目标压力值的压力偏差后，通过pid控制器根据所述压力偏差驱动所述执行机构进行压力闭环控制。
9.可选的，所述控制器具体用于：
10.当所述执行机构存在负载时，选择压力控制模式；
11.当所述执行机构不存在负载时，选择位置控制模式。
12.可选的，所述前馈控制单元包括速度前馈子单元和加速度前馈子单元。
13.可选的，当所述目标压力值变化时，所述控制器还用于：
14.控制所述位置闭环控制模块和所述所述压力闭环控制模块同时运行，并获取运行时两个pid控制器输出的pid值；
15.选择较小的pid值驱动所述执行机构进行闭环控制，直至位置达到设定的目标位置或压力达到设定的目标压力值。
16.本技术第二方面提供了一种双闭环控制方法，应用于第一方面任一种所述的双闭环控制系统，方法包括：
17.控制器根据执行机构是否存在负载来选择控制模式，所述控制模式包括位置控制模式和压力控制模式；
18.在处于位置控制模式时，位置闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动所述执行机构进行移动，在获取到当前位置和目前位置的位置偏差后，通过pid控制器根据所述位置偏差驱动所述执行机构进行位置闭环控制；
19.在处于压力控制模式时，压力闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动所述执行机构进行移动，在获取到当前压力值和目标压力值的压力偏差后，通过pid控制器根据所述压力偏差驱动所述执行机构进行压力闭环控制。
20.可选的，所述控制器根据执行机构是否存在负载来选择控制模式，所述控制模式包括位置控制模式和压力控制模式，包括：
21.当执行机构存在负载时，控制器选择压力控制模式；
22.当执行机构不存在负载时，控制器选择位置控制模式。
23.可选的，所述前馈控制单元包括速度前馈子单元和加速度前馈子单元。
24.可选的，当所述目标压力值变化时，所述方法还包括：
25.所述控制器控制所述位置闭环控制模块和所述所述压力闭环控制模块同时运行，并获取运行时两个pid控制器输出的pid值；
26.所述控制器选择较小的pid值驱动所述执行机构进行闭环控制，直至位置达到设定的目标位置或压力达到设定的目标压力值。
27.从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：
28.本技术提供了一种双闭环控制系统，包括：控制器、位置闭环控制模块、压力闭环控制模块和执行机构，位置闭环控制模块和压力闭环控制模块均由pid控制器和前馈控制单元构成；控制器，用于根据执行机构是否存在负载来选择控制模式，控制模式包括位置控制模式和压力控制模式；位置闭环控制模块，用于在处于位置控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前位置和目前位置的位置偏差后，通过pid控制器根据位置偏差驱动执行机构进行位置闭环控制；压力闭环控制模块，用于在处于压力控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前压力值和目标压力值的压力偏差后，通过pid控制器根据压力偏差驱动执行机构进行压力闭环控制。
29.本技术中，通过控制器根据执行机构的负载情况来选择控制模式，在处于位置控制模式时，位置闭环控制模块根据当前位置和目标位置的偏差进行位置闭环控制，在处于压力控制模式时，根据当前压力值与目标压力值的偏差进行压力闭环控制，在面对负载突然消失时，控制器会选择从当前控制模式转换为另一控制模式，从而可以避免负载突然消失时，执行机构试图达到所设定的力的期望值，忽然加速前冲，而导致发生碰撞，影响设备安全的技术问题。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.图1为本技术实施例提供的一种双闭环控制系统的一个结构示意图；
32.图2为本技术实施例提供的一种双闭环控制方法的一个流程示意图。
具体实施方式
33.本技术提供了一种双闭环控制系统和方法，用于改善现有技术通过安装压力传感器实现压力的精确控制，当系统正处于力控模式，此时负载突然移除，执行机构会忽然加速前冲，试图达到所设定的力的期望值，容易导致发生碰撞，影响设备安全的技术问题。
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.为了便于理解，请参阅图1，本技术实施例提供的一种双闭环控制系统，包括：控制器、位置闭环控制模块、压力闭环控制模块和执行机构，位置闭环控制模块和压力闭环控制模块均由pid控制器和前馈控制单元构成；
36.控制器，用于根据执行机构是否存在负载来选择控制模式，控制模式包括位置控制模式和压力控制模式；
37.位置闭环控制模块，用于在处于位置控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前位置和目前位置的位置偏差后，通过pid控制器根据位置偏差驱动执行机构进行位置闭环控制；
38.压力闭环控制模块，用于在处于压力控制模式时，通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前压力值和目标压力值的压力偏差后，通过pid控制器根据压力偏差驱动执行机构进行压力闭环控制。
39.本技术实施例中，通过控制器根据执行机构是否存在负载来选择控制模式。具体的，当执行机构存在负载时，控制器选择压力控制模式；当执行机构不存在负载时，控制器选择位置控制模式。其中，执行机构包括油缸以及马达或阀，当油缸在推力的作用下前进或后退时，则认为执行机构存在负载，否则，则认为执行机构不存在负载，其中，可以通过压力传感器来检测该推力，进而确定是否存在负载。
40.当执行机构不存在负载时，控制器控制位置闭环控制模块运行，使得系统处于位置控制模式。位置闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，前馈控制单元包括速度前馈子单元和加速度前馈子单元，速度前馈子单元用于速度前馈，加速度前馈子单元用于通过补偿来改善速度上升或下降，通过前馈控制单元控制速度，减少pid调节时间。前馈控制单元的前馈输出＝fv
×
目标速度 fa
×
目标加速度，fv为速度前馈增益，fa为加速度前馈增益，目标速度和目标加速度是预先设定好的，fv、fa根据实际情况进行具体取值，在此不做具体限定。位置闭环控制模块获取执行机构的当前位置，然后将当
前位置和目标位置的位置偏差输入到pid控制器进行pid调节，通过pid控制器根据位置偏差计算得到的pid值驱动执行机构进行位置闭环控制。其中，在比例环节，pid控制器将比例增益p与位置偏差进行相乘，以作用于下一时刻的控制信号；在积分环节，pid控制器将积分增益i与一段时间内(该时间段的长度可以根据实际情况进行设置)的位置偏差的和相乘，进而对pid控制器的输出产生积分作用，即使在瞬间的位置偏差很小的情况下，一段时间内的位置偏差总和最终会增加到一个使偏差得以纠正的数值；在微分环节，pid控制器基于微分增益d对位置偏差求微分，可以理解为，pid控制器将微分增益d与目标速度与实际速度的速度偏差相乘。目标位置是预先设定好的，当前位置可以通过位置传感器获取。
41.当执行机构存在负载时，控制器控制压力闭环控制模块运行，使得系统处于压力控制模式，运行时，压力闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，然后获取执行机构的当前压力值，计算当前压力值和目标压力值的压力偏差，并将压力偏差输入到pid控制器进行pid调节，通过pid控制器根据压力偏差计算得到的pid值驱动执行机构进行压力闭环控制。其中，在比例环节，pid控制器将比例增益p与压力偏差进行相乘，以作用于下一时刻的控制信号；在积分环节，pid控制器将积分增益i与一段时间内(该时间段的长度可以根据实际情况进行设置)的压力偏差的和相乘，进而对pid控制器的输出产生积分作用；在微分环节，pid控制器基于微分增益d对压力偏差求微分。目标压力值为预先设定好的压力大小，当前压力值可以通过压力传感器获取。
42.进一步，当目标压力值变化时，控制器还用于：
43.控制位置闭环控制模块和压力闭环控制模块同时运行，并获取运行时两个pid控制器输出的pid值；
44.选择较小的pid值驱动执行机构进行闭环控制，直至位置达到设定的目标位置或压力达到设定的目标压力值。
45.当目标压力值从预先设定的一个值变化到另一个值时，此时系统进入力限制下的位置控制模式，在这种模式下，控制器可以控制位置闭环控制模块和压力闭环控制模块同时运行，此时对位置和压力进行调整的pid控制器同时运行，位置控制模式下的pid控制器根据当前位置和预先设定的目标位置的位置偏差计算pid值，压力控制模式下的pid控制器根据当前压力值和预先设定的目标压力值的压力偏差计算pid值，控制器获取两个pid控制器输出的pid值后比较大小，选择较小的pid值驱动执行机构，执行机构保持运动，直至位置或压力中的任何一个达到设定值，这样就可以设置一个安全的位置点，在这点上即使负载突然消失，执行机构也可以立刻停止运动。
46.本技术实施例中，通过控制器根据执行机构的负载情况来选择控制模式，在处于位置控制模式时，位置闭环控制模块根据当前位置和目标位置的偏差进行位置闭环控制，在处于压力控制模式时，根据当前压力值与目标压力值的偏差进行压力闭环控制，在面对负载突然消失时，控制器会选择从当前控制模式转换为另一控制模式，从而可以避免负载突然消失时，执行机构试图达到所设定的力的期望值，忽然加速前冲，而导致发生碰撞，影响设备安全的技术问题。
47.以上为本技术实施例提供的一种双闭环控制系统的一个实施例，以下为本技术提供的一种双闭环控制方法的一个实施例。
48.请参考图2，本技术实施例提供的一种双闭环控制方法，应用于前述实施例中的一
种双闭环控制系统，方法包括：
49.步骤101、控制器根据执行机构是否存在负载来选择控制模式，控制模式包括位置控制模式和压力控制模式。
50.通过控制器根据执行机构是否存在负载来选择控制模式。具体的，当执行机构存在负载时，控制器选择压力控制模式；当执行机构不存在负载时，控制器选择位置控制模式。其中，执行机构包括油缸以及马达或阀，当油缸在推力的作用下前进或后退时，则认为执行机构存在负载，否则，则认为执行机构不存在负载，其中，可以通过压力传感器来检测该推力，进而确定是否存在负载。
51.步骤102、在处于位置控制模式时，位置闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前位置和目前位置的位置偏差后，通过pid控制器根据位置偏差驱动执行机构进行位置闭环控制。
52.当执行机构不存在负载时，控制器控制位置闭环控制模块运行，使得系统处于位置控制模式。位置闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，前馈控制单元包括速度前馈子单元和加速度前馈子单元，速度前馈子单元用于速度前馈，加速度前馈子单元用于通过补偿来改善速度上升或下降，通过前馈控制单元控制速度，减少pid调节时间。前馈控制单元的前馈输出＝fv
×
目标速度 fa
×
目标加速度，fv为速度前馈增益，fa为加速度前馈增益，目标速度和目标加速度是预先设定好的，fv、fa根据实际情况进行具体取值，在此不做具体限定。位置闭环控制模块获取执行机构的当前位置，然后将当前位置和目标位置的位置偏差输入到pid控制器进行pid调节，通过pid控制器根据位置偏差计算得到的pid值驱动执行机构进行位置闭环控制。其中，在比例环节，pid控制器将比例增益p与位置偏差进行相乘，以作用于下一时刻的控制信号；在积分环节，pid控制器将积分增益i与一段时间内(该时间段的长度可以根据实际情况进行设置)的位置偏差的和相乘，进而对pid控制器的输出产生积分作用，即使在瞬间的位置偏差很小的情况下，一段时间内的位置偏差总和最终会增加到一个使偏差得以纠正的数值；在微分环节，pid控制器基于微分增益d对位置偏差求微分，可以理解为，pid控制器将微分增益d与目标速度与实际速度的速度偏差相乘。目标位置是预先设定好的，当前位置可以通过位置传感器获取。
53.步骤103、在处于压力控制模式时，压力闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，在获取到当前压力值和目标压力值的压力偏差后，通过pid控制器根据压力偏差驱动执行机构进行压力闭环控制。
54.当执行机构存在负载时，控制器控制压力闭环控制模块运行，使得系统处于压力控制模式，运行时，压力闭环控制模块通过前馈控制单元的前馈输出驱动执行机构进行移动，然后获取执行机构的当前压力值，计算当前压力值和目标压力值的压力偏差，并将压力偏差输入到pid控制器进行pid调节，通过pid控制器根据压力偏差计算得到的pid值驱动执行机构进行压力闭环控制。其中，在比例环节，pid控制器将比例增益p与压力偏差进行相乘，以作用于下一时刻的控制信号；在积分环节，pid控制器将积分增益i与一段时间内(该时间段的长度可以根据实际情况进行设置)的压力偏差的和相乘，进而对pid控制器的输出产生积分作用；在微分环节，pid控制器基于微分增益d对压力偏差求微分。目标压力值为预先设定好的压力大小，当前压力值可以通过压力传感器获取。
55.进一步，当目标压力值变化时，方法还包括：
56.控制器控制位置闭环控制模块和压力闭环控制模块同时运行，并获取运行时两个pid控制器输出的pid值；
57.控制器选择较小的pid值驱动执行机构进行闭环控制，直至位置达到设定的目标位置或压力达到设定的目标压力值。
58.当目标压力值从预先设定的一个值变化到另一个值时，此时系统进入力限制下的位置控制模式，在这种模式下，控制器可以控制位置闭环控制模块和压力闭环控制模块同时运行，此时对位置和压力进行调整的pid控制器同时运行，位置控制模式下的pid控制器根据当前位置和预先设定的目标位置的位置偏差计算pid值，压力控制模式下的pid控制器根据当前压力值和预先设定的目标压力值的压力偏差计算pid值，控制器获取两个pid控制器输出的pid值后比较大小，选择较小的pid值驱动执行机构，执行机构保持运动，直至位置或压力中的任何一个达到设定值，这样就可以设置一个安全的位置点，在这点上即使负载突然消失，执行机构也可以立刻停止运动。
59.本技术实施例中，通过控制器根据执行机构的负载情况来选择控制模式，在处于位置控制模式时，位置闭环控制模块根据当前位置和目标位置的偏差进行位置闭环控制，在处于压力控制模式时，根据当前压力值与目标压力值的偏差进行压力闭环控制，在面对负载突然消失时，控制器会选择从当前控制模式转换为另一控制模式，从而可以避免负载突然消失时，执行机构试图达到所设定的力的期望值，忽然加速前冲，而导致发生碰撞，影响设备安全的技术问题。
60.以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。