交流位置伺服系統(tǒng)PID控制方法實(shí)現(xiàn)

1、交流位置伺服系統(tǒng)PID控制方法實(shí)現(xiàn)丁鋒（西安交通大學(xué)機(jī)電工程系） 屈明昌（西安工業(yè)學(xué)院機(jī)電系） 林廷圻（西寧鐵路分局）摘 要：交流伺服系統(tǒng)在制造業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，分析了位置伺服系統(tǒng)的組成，主要介紹了數(shù)字位置環(huán)的PID器改進(jìn)控制算法以及參數(shù)整定方法。實(shí)際應(yīng)用表明：選擇合理的PID參數(shù)能夠滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、速度精度高、魯棒性強(qiáng)的要求。關(guān)鍵詞：交流伺服控制；控制算法；PID調(diào)節(jié)交流伺服系統(tǒng)在制造業(yè)控制中得到了更加廣泛的應(yīng)用，對(duì)控制的要求體現(xiàn)在響應(yīng)速度快、速度精度高、調(diào)速范圍寬、加減速性能好。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電機(jī)磁性材料的不斷發(fā)展，交流伺服控制逐漸成為工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中運(yùn)動(dòng)控制的主

2、流1，有關(guān)各種新型控制算法不斷涌現(xiàn)，如自適應(yīng)控制、磁場(chǎng)定向控制及直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等。但是，傳統(tǒng)的PID控制方法以其實(shí)現(xiàn)的方便可靠性仍是其它控制算法的基礎(chǔ)。一、系統(tǒng)組成原理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由四部分組成，即微機(jī)、伺服控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測(cè)。主控微機(jī)與控制卡相連，可以通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令，設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，該模擬信號(hào)經(jīng)過交流伺服放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。電機(jī)軸端裝有增量式光電碼盤，通過光電碼盤提供反饋信號(hào)（A、B、IN脈沖）來完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋，組成一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)。一般將光電碼盤裝在電機(jī)非負(fù)載軸的軸端上，便于安裝和避免機(jī)

3、械部件振動(dòng)和變形對(duì)位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。位置反饋環(huán)中傳感元件增量式光電編碼器將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)時(shí)的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長(zhǎng)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制站（PC機(jī)）中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，主控微機(jī)計(jì)算給定位置與實(shí)際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據(jù)偏差范圍采取相應(yīng)的PID控制策略，將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成期望值的定位。二、伺服控制方法工業(yè)控制中常用的方法是PID調(diào)節(jié)器，盡管隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、智能控制等2。從理論分析，許多控制策略都能實(shí)現(xiàn)良好的電機(jī)動(dòng)靜態(tài)

4、特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)比較麻煩，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)困難，對(duì)于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，具有較強(qiáng)的魯棒性3，而且適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，這些特點(diǎn)使PID控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對(duì)象而言并不復(fù)雜，用PID調(diào)節(jié)器更易實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。1、位置環(huán)PID控制算法在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差，提高精度，但在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對(duì)于伺服電機(jī)的運(yùn)行來說是不利的。為減小電機(jī)在運(yùn)行過程中積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，

5、采用積分分離PID控制正當(dāng)其時(shí)，當(dāng)電機(jī)的實(shí)階位置與期望位置的誤差小于一定位值時(shí)，再恢復(fù)積分校正環(huán)節(jié)，以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。積分分離PID控制算法需設(shè)定積分分離閥，當(dāng)|e(k)|時(shí)，即偏差值較大時(shí)，采用PD控制，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快響應(yīng)；當(dāng)|e(k)|時(shí)，即偏差值比較小時(shí)，采用PID控制，以保證伺服電機(jī)位置控制精度。離散化PID控制算式為：其中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd分別表示比例、積分、微分系數(shù)。在實(shí)際中，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量，根據(jù)遞堆原理可得增量式PID控制算式為：2、位置環(huán)控制算法流程圖2所示為控制算法流程圖。3、控制系統(tǒng)參數(shù)的整定主控微機(jī)向控制卡發(fā)送

6、PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定Kp、Ki、Kd及采樣周期T，比例系數(shù)Kp增大，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、響應(yīng)加快，而過大會(huì)引起振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；積分系數(shù)Ki增大，能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時(shí)間縮短。通常的方法有擴(kuò)充臨界比例度法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，以及歸一參數(shù)整定方法。這幾種方法源于使用齊格勒-尼柯爾斯（Ziegler-Nichols規(guī)則）4，通常可認(rèn)為交流伺服系統(tǒng)的模型為一階帶有延遲環(huán)節(jié)的模型（帶滯后的一階環(huán)節(jié)）：式中的一階響應(yīng)特征參數(shù)K、L和T可以由圖3所示的S型響應(yīng)曲線提取出來。求取這些參數(shù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)并不困難，可以通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行階躍輸入激勵(lì)，得到響應(yīng)曲線，再根據(jù)曲線求出其特征參數(shù)。于是可由Ziegler-Nichols整定規(guī)則得到：數(shù)字系統(tǒng)中采樣周期的選擇與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。一方面要滿足香農(nóng)定理，即s2max，實(shí)際系統(tǒng)輸入及反饋的最大頻率max難以測(cè)定，另一方面采樣周期并沒有一個(gè)精確的計(jì)算公式，只能根據(jù)工程應(yīng)用按經(jīng)驗(yàn)規(guī)則選取，對(duì)于機(jī)電控制系統(tǒng)，要求較短采樣周期，通常為幾十毫秒。三、結(jié)論對(duì)于交流位置伺服控制系統(tǒng)而言，采用基于PC機(jī)的開發(fā)平臺(tái)