PID控制在交流位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

PID控制在交流位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)于交流位置伺服控制系統(tǒng)而言，采用基于pc機(jī)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，只要參數(shù)整定適當(dāng)，加之系統(tǒng)的機(jī)械精度（運(yùn)動(dòng)軸、齒輪、電機(jī)絲杠傳動(dòng)化）控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高系統(tǒng)組成原理該系統(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(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)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(guò)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(pán)，通過(guò)光電碼盤(pán)提供反饋信號(hào)（a、b、in脈沖）來(lái)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(pán)裝在電機(jī)非負(fù)載軸的軸端上，便于安裝和避免機(jī)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(xiàn)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)機(jī)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。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(zhuān)家系統(tǒng)、智能控制等。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)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬辨識(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，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。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(guò)程的開(kāi)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)，甚至震蕩，這對(duì)于伺服電機(jī)的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是不利的。為減小電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，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置時(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ε，當(dāng)|e（k）|》ε時(shí)，即偏差值較大時(shí)，采用pd控制，以保證伺服電機(jī)位置控制精度。離散化pid控制算式是：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：控制系統(tǒng)參數(shù)的整定主控微機(jī)向控制卡發(fā)送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(guò)程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定得主要任務(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(guò)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，是超調(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(xiàn)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?tīng)査梗▃iegler-nichols規(guī)則），通?？烧J(rèn)為交流伺服系統(tǒng)的模型為一階段有延遲環(huán)節(jié)的模型（帶滯后的一階環(huán)節(jié)）：式中的一階段響應(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(xiàn)提取出來(lái)。求取這些參數(shù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)并不困難，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行階躍輸入激勵(lì)，得到響應(yīng)曲線(xiàn)，再根據(jù)曲線(xiàn)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(mǎn)足香農(nóng)定理，即ωs≥2ωmax實(shí)際系統(tǒng)輸入及反饋的最大頻率ωmax難以測(cè)定，另一方面采樣周期并沒(méi)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)于電機(jī)控制系統(tǒng)，要求較短時(shí)間采樣周期，通常為幾十毫秒。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(kāi)發(fā)平臺(tái)，用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，只