一種高速伺服系統(tǒng)的精確控制策略

1、一種高速伺服系統(tǒng)的精確控制策略 工業(yè)自動化中廣泛采用的PID控制，對于非線性，大時滯，強(qiáng)耦合等被控對象控制效果并不理想，也就是說，PID控制器對不同的對象要用不同的參數(shù)，而且調(diào)整不方便，抗干擾能力差，超調(diào)量大；模糊控制的局限性在于它的控制作用只能按擋處理，是一種非線性控制，控制精度不高，存在靜態(tài)誤差，一般在語言變量偏差趨于零時有振蕩。這樣，將PID控制的優(yōu)點(diǎn)(控制精度高) 和模糊控制的優(yōu)勢(不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠直接從操作者的經(jīng)驗歸納，優(yōu)化而得到，且適應(yīng)能力好，抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性好) 相結(jié)合，組成一種復(fù)合控制器，即模糊PID控制器。實(shí)驗證明在高速伺服系統(tǒng)中取

2、得了良好的效果。 一、模糊PID控制原理 1. PID參數(shù)Fuzzy自整定控制原理 PID參數(shù)Fuzzy自整定控制是利用模糊控制器對PID控制器進(jìn)行參數(shù)的在線自整定。其過程是：先找出PID三參數(shù)和誤差與誤差變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測誤差和誤差變化，再根據(jù)模糊控制原理對上述三參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同誤差和誤差變化時對控制器參數(shù)的不同要求。常規(guī)PID控制算法為： 式中，E(k)=E(k)+E(k-1)和EC(k)=E(k)-E(k-1) (k=0，1，2)分別為其輸入變量偏差與偏差變化，kp，ki及kd分別為表征其比例，積分及微分作用的參數(shù)。Fuzzy自整定PID參數(shù)控制器是一

3、種在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Fuzzy集合理論建立參數(shù)kp，ki與kd同偏差絕對值|E|和偏差變化絕對值|EC|間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系： 并根據(jù)不同的|E|，|EC|在線自整參數(shù)kp，ki與kd 的Fuzzy控制器。圖1 PID參數(shù)Fuzzy自整定控制原理 2. PID參數(shù)Fuzzy整定策略 一般情況下，在不同|E|，|EC|下被控過程對參數(shù)kp，ki與kd的自整定要求可歸結(jié)為： 當(dāng)|E|較大時，為使系統(tǒng)具有良好的快速跟蹤性能，避免因E瞬間變化大而引起微分飽和，應(yīng)取較大的kp與較小的kd。為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ki= 0；根據(jù)實(shí)際情況也可直接采取P控制。

4、 當(dāng)|E|處于中等大小時，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)同時保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，kp應(yīng)取得小些；ki的取值要適當(dāng)；在這種情況下，kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，一般取值經(jīng)驗為：|EC|較大時，kd可取稍?。粅EC|較小時，kd可取稍大。實(shí)際中也可直接采用PD控制。 當(dāng)|E|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾性，避免系統(tǒng)振蕩，kp與ki均應(yīng)取得大些。同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，kd值的選擇很關(guān)鍵，可根據(jù)|EC|來決定，當(dāng)|EC|較大時，kd可取稍小；|EC|較小時，kd可取稍大。 二、P-FUZZY- PI多模多段控制器 P-FUZZY- PI多模多段控制器是根據(jù)不同的條件和要求分

5、段用不同模式進(jìn)行控制，即當(dāng)誤差大于某一閥值時，用比例控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)誤差小于某一閥值時，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼特性，減小響應(yīng)過程的超調(diào)；當(dāng)誤差達(dá)到平衡點(diǎn)附近時，采用PI控制，利用其積分作用的特點(diǎn)最終消除誤差。 三、模糊PID控制在縫紉機(jī)中的應(yīng)用 1. 工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)簡介 工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)需要精確定位。無級調(diào)速的伺服系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由電磁離合器電機(jī)(亦稱電磁調(diào)速異步電動機(jī))、與縫紉機(jī)機(jī)械部分相關(guān)的功能電磁閥、主控電路板，測速反饋板、腳踏板控制指令接口板和電源板等組成。圖2 工業(yè)縫紉機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng) 圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中，內(nèi)閉環(huán)為速度環(huán)，外閉環(huán)為

6、位置環(huán)?？刂扑惴?用于電磁離合器電機(jī)調(diào)速，控制算法2用于電磁離合器電機(jī)的精確定位。被控對象電磁離合器電機(jī)的基本調(diào)速方式為PWM調(diào)速。其技術(shù)指標(biāo)中最重要的是定位精度。通常工縫機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到5000 轉(zhuǎn)。在如此高的速度下要求其迅速，精確定位，定位精度最大不能超過-5mm - 5mm。因為隨后的剪線和挑線勸作都是依賴于其精度的，倘若定位不準(zhǔn)，很可能會發(fā)生打針的現(xiàn)象。 2. 工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)控制器算法 當(dāng)只采用PID控制時，存在以下問題： (1) 死區(qū)太大。當(dāng)積分常數(shù)很小時，控制精度差，控制不平穩(wěn)。如果積分時間常數(shù)太大，又會引起大的超調(diào)，震蕩，過渡過程長，控制精度也難以保證。 (2) 定位精度差。給

7、參數(shù)的確定帶來很大困難。 當(dāng)用分段PID控制，將系統(tǒng)速度分為5 段，每段分別用不同的PID參數(shù)，控制效果能達(dá)到滿意的效果，可是對所有的點(diǎn)還不能完全滿足精確的要求，而且，隨著硬件溫度上升，精確性變得更差。 由于以上原因，最終制定控制器的算法方案為：當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時，采用參數(shù)自整定PID控制；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大的偏差時，切換為模糊控制。 具體控制采用增量式數(shù)字PID控制。算式為： 式中，kp，ki，kd為比例、積分、微分系數(shù)， ，T 為采樣周期，在動態(tài)響應(yīng)過程中，根據(jù)偏差E 和偏差變化EC 的特征信息由模糊推理產(chǎn)生一個相應(yīng)的合理的變化并作用于Kp，Ti，Td即 式中，、分別為比例增益和積分時間的調(diào)整系

8、數(shù)，其值是根據(jù)不同系統(tǒng)由經(jīng)驗給出。kpo、kio、kdo為PID控制器的初始整定值，在此作用下的PID參數(shù)根據(jù)偏差E和偏差變化EC進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以滿足動態(tài)性能。(t)的在線調(diào)整則由一個Fuzzy推理生成，根據(jù)當(dāng)前E與EC，被控對象的特點(diǎn)和實(shí)際經(jīng)驗推理產(chǎn)生出一個模糊變量H，其反映在動態(tài)過程中應(yīng)具備的變化趨勢的模糊決策，H經(jīng)非模糊化處理后得到的h(t)，并由它在線調(diào)整，即： (t)=(t-1)+h(t)(t)0，1 為調(diào)整的變化速度。 3.實(shí)驗結(jié)果對比 使用三種控制策略的縫紉機(jī)定位精度對比見表1，此時縫紉機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min。 四、結(jié)論 綜合試驗結(jié)果可以看出：模糊PID控制能使系統(tǒng)響應(yīng)快且無超調(diào)，有更強(qiáng)抗負(fù)載擾動能力，具備更強(qiáng)的魯棒性。該模糊PID控制器