从开环到闭环：压电位移控制精度的跃迁之路

联合光科

    在纳米级定位需求日益增长的今天，压电位移台因响应快、精度高的特性成为精密制造与科研的关键设备。然而，开环控制下的压电系统只关注输出动作，不考量动作结果是否符合预期，导致定位误差累积。闭环控制的引入，通过实时反馈矫正这一缺陷，将压电位移台的定位精度提升至设定目标。本文将从开环与闭环对比和闭环在压电控制的必要性这两方面，剖析闭环控制在压电系统中的决定性作用。

开环和闭环的对比

     开环和闭环是控制领域最基础，也最核心的两种控制模式。开环控制指的是控制装置与被控对象之间仅存在单向作用，不存在任何反向信息传递的控制过程，由此构成的系统被称为开环控制系统。闭环控制则是把被控对象的输出量直接或间接送回输入端，形成一个闭合回路，利用输出反馈来调整控制行为的控制方式。
     开环的英文名称是 open-loop，因其无需反馈环节，也常被直接称作开环控制系统。它的核心特征是 “不回头看”—— 不会将控制结果反馈到输入端来修正当前的控制动作。这就像一种单向指令执行：我们给控制器设定一个参数，控制器就严格按照这个参数驱动执行机构，只关注输出动作，不考量动作结果是否符合预期。这种系统的最大优势是结构简单，原理易懂，操作和维护都很方便。但短板也十分明显，精度提升和响应速度都受到先天限制，因此通常只用在外界干扰可忽略、被控对象惯性小，或者对控制精度要求不高的场景，实际应用中往往表现为稳定性较差。打个比方，开环相当于开水龙头，只负责拧到一定的位置，实际出水的流量是否有变化，变化小还是大，是没有监测的。

图1 开环流程图

    闭环又称闭环负反馈系统，其核心是由信号的正向传输通路和反向反馈通路共同构成的闭合回路。它的工作逻辑是：先设定一个期望的目标值，再通过检测装置实时测量被控对象的实际输出值。将两者进行比较得出偏差，最后通过算法调整正向传输。闭环反馈加算法补偿让实际输出不断接近期望目标。简单说，就是闭环系统能 “自我监测、自我修正”—— 人们设定好目标后，系统自带的检测电路会持续反馈实际状态，整个控制过程就是跟踪目标的动态调整过程。还是以开水龙头为例，闭环系统则是给水龙头装上了流量传感器，通过实时反馈，控制调节水龙头开启增大或减小以保证稳定的流量，可有效改善水压不稳定出水量不统一的情况。这种系统定位精度高，但系统复杂，主要用于高精度的系统。



     换言之，开环控制是 “指令下达即执行到底”，只要参数设定好，就会按固定逻辑运行，不会因结果偏差改变动作；而闭环控制是 “指令下达后持续收反馈”，若反馈显示实际状态与目标偏离，就可能调整甚至暂停原指令。

闭环在压电控制中的技术必要性
     压电控制的工作原理是基于逆压电效应，即压电陶瓷在外部电场作用下产生与电场强度成比例的机械形变，进而驱动压电陶瓷实现位移。因为压电材料在接受很大电压时，仅能产生微纳米级别的位移。这一特性使其在精密驱动领域具备天然优势，但压电陶瓷材料本身的固有缺陷却严重制约了定位精度的提升。

图3 逆压电效应原理图

     其中，非线性误差是最突出的问题。迟滞误差作为典型的非线性表现，在压电陶瓷的充放电过程中尤为明显，其误差范围可达 3%-15%，这意味着相同电压输入在升压和降压过程中会产生显著的位移偏差，形成闭合的迟滞回环。蠕变误差则表现为在恒定电压作用下，位移随时间持续缓慢变化，误差速率可达 0.1%-1%/h，对于需要长时间稳定定位的场景极为不利。此外，环境温度波动会导致压电陶瓷的介电常数和弹性模量发生变化，负载变化则会改变形变的力平衡状态，这些因素都会进一步加剧位移误差，若不加以控制，将完全丧失压电位移台的精密定位价值。

图4 压电材料迟滞现象示意图

     开环控制模式下，系统仅依赖预设的输入电压 - 位移模型进行驱动，该模型通常基于理想工况建立，无法实时感知压电陶瓷的实际位移状态。当出现迟滞、蠕变、温度漂移或负载变化等扰动时，开环系统缺乏误差检测与修正机制，只能按照固定程序运行，最终的定位误差往往远超应用需求。
     闭环控制技术通过引入实时位移反馈环节，构建了 “指令输入 - 位移输出 - 反馈检测 - 偏差修正” 的完整控制闭环，从根本上解决了开环控制的固有缺陷。在该模式下，反馈单元实时采集压电陶瓷的实际位移数据，并与目标位移值进行对比运算，控制器根据偏差信号调整驱动电压，实现对各类误差的动态补偿。
     联合光科所有的压电位移台标准品都采用闭环控制的方式，多种型号间分别实现了最小步距从十纳米到百纳米的精密控制，而且更小步距的压电位移台还可以接受定制。
     另外，联合光科的压电推杆非常具有特色，是业界少有的能够闭环控制的压电推杆。压电推杆为压电陶瓷驱动，内置光栅尺或电阻编码器做闭环反馈实现位置的精准控制；推杆非旋转式直线进给，顶端接触点不易磨损因此不会出现因接触点磨损导致精度下降的问题。压电推杆使用场景适合替换镜架、位移台手动驱动机构螺纹副/微分头实现纳米级精度驱动，实现电气化控制。压电推杆提供大气环境使用铝合金版本和真空环境低至10-5Pa压强使用不锈钢版本。闭环控制最小步进低至30nm，开环控制更是低至6nm。
     闭环控制在压电系统中的决定性作用，联合光科的压电位移台和压电推杆均采用闭环控制方式，满足客户对高精度需求，欢迎大家咨询！