交流位置伺服系統(tǒng)PID控制方法實現(xiàn)

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。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，該模擬信號經(jīng)過交流伺服放大器放大后驅(qū)動伺服電動機(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(a、b、in脈沖)來完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋，組成一個半閉環(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)械部件振動和變形對位置控制系統(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)動構(gòu)件實時的位移(或轉(zhuǎn)角)變化量以a、b相差分脈沖形式長線傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制站(pc機(jī))中進(jìn)行編碼器脈沖計數(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，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、專家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析，許多控制策略都能實現(xiàn)良好的電機(jī)動靜態(tài)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對系統(tǒng)進(jìn)行模擬辨識比較麻煩，因此，在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)時困難，對于傳統(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。對于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對象而言并不復(fù)雜，用pid調(diào)節(jié)器更易實現(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，但在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時，會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至震蕩，這對于伺服電機(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控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，采用積分分離pid控制正當(dāng)其時，當(dāng)電機(jī)的實階位置與期望位置的誤差小于一定位置時，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，即偏差值較大時，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，k=0，1，2…;

kp、ki、kd分別表示比例，積分、微分系數(shù)。在實際中，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，該過程需用參數(shù)整定實現(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)動系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)加快，而過大會引起振蕩，調(diào)節(jié)時間加長;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態(tài)特性，是超調(diào)量減少，調(diào)整時間縮短。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)，通常可認(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)曲線提取出來。求取這些參數(shù)對實際系統(tǒng)并不困難，可以通過對系統(tǒng)進(jìn)行階躍輸入激勵，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ωs≥2ωmax實際系統(tǒng)輸入及反饋的最大頻率ωmax難以測定，另一方面采樣周期并沒有一個精確的計算公式，只能根據(jù)工程應(yīng)用按經(jīng)驗規(guī)則選取，對于電機(jī)控制系統(tǒng)，要求較短時間采樣周期，通常為幾十毫秒。

對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，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)動軸、齒輪、電機(jī)絲杠傳動化)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，魯棒性強(qiáng)，可以在很多場合達(dá)到較高精度位置控制的要求。