一直以来，液压能都为重物的提升和移动带来便利。液压系统能够在耗费很少的能量的情况下，提供很大的力。相比之下，电动机需要消耗较多的能量，这是因为电流必须流经较笨重的转子提供扭矩。在过去，液压系统的动作不是非常精确。当时，大部分的液压阀是开关阀，其控制方式是典型的开环控制，或者使用不精确的反馈机构，例如，限位开关或操纵杆。本论文出自《流体动力运动控制实用设计指南》，如有需要可联系北京市思路盛自动化系统集成有限公司，免费获赠。

随着高精度和高响应速度的反馈装置的出现，例如磁致伸缩位移传感器（MDTs）和闭环电液位置控制器，机器的设计者和集成者能够使液压执行机构实现精确的定位，但仍然存在一些问题。在许多应用中，如压力控制，不仅需要控制压力，还需要控制位置。传统的压力控制采用泄压阀来限制施加到负载上的力，但是当考虑到合作力时，这种方法存在一定的缺陷。

图1.这是用在做板簧的弯曲测试机构上的运动控制器，通过力传感器控制力。

图2.粉末金属压机系统的部分系统简图表明，控制器不仅可以控制位置，同时也能控制力。

活塞有两个端面，但溢流阀只能控制活塞一侧的压力。由于活塞两侧都存在压力，机构受到的作用力不等于活塞一端的力。但是，可以通过放置在负载和活塞杆之间的一个力传感器（如图1中所示）或者通过计算净力来测量作用力的大小。净力是作用在活塞两端的作用力的差值，两端的作用力为两端压力乘以相应的作用面积。

式中：是液压缸无杆腔端活塞的面积；

作用在无杆腔端活塞面上压力；

是有杆腔端活塞的面积；

作用在有杆腔端活塞面上压力。

是选择使用一个力传感器还是两个油压传感器来测量作用力，取决于该作用力的大小和外部环境。当作用力较小时，仅需选择一个力传感器。当需测量的力小于密封件及活塞杆受到的摩擦力的时候，力传感器更加合适，因为通过它能直接读出合外力的大小，而不是作用在活塞端面上的压力（计算合外力的等式中没有考虑内部摩擦力）。但是，力传感器安装困难，并且不适合在恶劣的工作环境下使用。当要测量的作用力足够大，内部摩擦力可以忽略时，使用两个油压传感器就可以很好的工作。相比较而言，油压传感器相对便宜并且能够安装在液压缸上（如图2）或者安装在远离活塞杆的管道上。

通过增加一个精确的力反馈装置，控制器可以精确的控制作用力的大小。其优点如下：

1.可以减小或消除导致传感器损坏和系统液压油泄露的压力峰值。减少保养费用，延长机器寿命。

2.使动作更加稳定，减少浪费和降低废品率。例如，用于塑料注模机时，可有助于消除制造中的瑕疵“毛边”。

3.由于能方便的改变力和位置的控制方法，使加工更加灵活。这使得用于加工方式转换所需的停机时间大大减少。

4.在机器正常运行时能改变力和位置，使复杂的控制变的更加灵活。金属粉末压力机就需要这种性能。

5.能够协调大型压力机的多部件和多轴动作。

6.使用从控制器上获得的数据能够方便的进行诊断和进程监控。

7.机器能够自动适应不同的材料和不同的环境因素，例如温度和湿度。

8.对于不同的操作者，闭环压力控制能够保证产品质量的稳定。例如，制造商通过用闭环压力控制代替金属成型压力机上的操纵杆控制，使具备不同技术水平的操作者能够生产出质量更加一致的产品。

运动/力控制器拥有准确的压力和位置反馈后，可以选择以下几种控制模式中的一种：

位置控制

力控制

位置或力控制

限力情况下的位置控制

主动阻尼控制

力控制或位置控制的含义很容易理解，但其他的需要解释。首先要意识到，可以单独控制力或位置，但是不能同时控制两者。

位置或力控制模式（模式3）用于准确的位置或力的控制，但不能同时控制。当控制位置时，使用位置PID控制算法。当控制力时，使用力PID控制算法。两种PID控制不会相互干扰，因为它们不会同时运行。

通常，一个执行机构最初使用位置反馈，当执行机构与负载接触，控制器转变为力控制模式。这种控制器必须具备从位置PID算法向力PID控制算法平稳转变数学运算的能力。

这种控制模式能使力和位置控制都达到最优。但是这种控制模式有个很大的缺陷。如果系统正处于力控制模式下，这时负载或阻力突然被移除，执行机构会快速向前移动，以确保所设定的力的期望值。用于压力机时，如果没有提供反作用力的工件，就会对模具造成破坏。（在冲模的头部和底座碰撞之前没有反作用力，这很可能造成破坏）。

带有力限制的位置控制模式（模式4）在许多应用上是更好的选择。在这种模式中，控制器并行运行力和位置PID，并使用两个最小的PID和前馈控制信号来驱动执行机构。执行机构一直运动，直到力或位置中的任何一个到达设定值为止。在这种控制模式下，可以设定一个安全的位置点，在这点上即使阻力撤销执行机构也会停止动作。

然而，这种控制模式存在两个问题。第一个问题出现在实际的位置和力都接近设定值时。在这种情况下，力和位置都达不到设定值，但至少二者都不会超过设定值。第二个问题出现在试图做一个简单的位置移动时。因为在位置控制模式下，力是使物体加速的，所以力PID会限制输出，从而导致执行机构落后于目标位置。在大部分仅有位置移动的装置中，通过仅使用位置控制模式，并忽略力反馈可以很容易的解决这个问题。

主动阻尼模式(模式5)与力限制模式是紧密相关的，但与力限制模式不同的一点是：主动阻尼限制模式并不是限制力的绝对大小，而是限制力的改变速率。主动阻尼在气压定位和液压应用中具有很关键的作用，这两种情况下，负载和执行机构的固有频率都很低。通常，即使在开环控制下，这类系统也不能平稳的运行。

主动阻尼通过控制或限制净力的改变速率，可以降低或消除振荡。因为物体的加速度是由净力来提供的，净力被看做是运动的主导因素。如果力不振荡，负载就不会振荡。

这种力变化速率限制，或者主动阻尼控制也有两点局限。首先，力传感器不能够作为主动阻尼反馈，因为力传感器在负载和驱动机构没有接触之前，是不能提供反馈力的。第二，主动阻尼控制中对力变化速率的限制会影响控制器跟随曲线的能力，所以同步化程度或轴的传动性能会变差。尽管如此，在大质量，小直径液压缸或者是在连接阀和液压缸的软管管道很长等场合，主动阻尼控制还是非常优越的。

装配带有位置/力控制的闭环运动控制器能使旧机器跟新机器一样，甚至比新机器更好。机器拥有者通常希望延长机器的寿命，提高生成效率，提高产品质量。

使用闭环位置/力控制系统来代替开环控制系统，为我们提供了另一种控制方式。例如，我们的客户最近改造了一个纸浆厂的木浆磨浆机模板的位置控制系统。原来的控制器不能足够灵活的适用于不同木质纤维材料的加工需求，这也成为了一个保养难题。新的控制系统能更加灵活的使生产效率最大化，同时能够避免导致磨板损坏的情况的发生。