交流位置伺服系统PID控制方法实现

作者: admin 分类: 房产 发布时间: 2019-08-16 10:52

系统组成原理

  该系统由四部分组成,即微机、伺服控制卡、交流伺服调速系统、传感检测。主控微机与控制卡相连,可以通过数据线发送位置或速度命令,设定pid调节参数,并进行数模(d/a)转换,该模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机。电机轴端装有增量式光电码盘,通过光电码盘提供反馈信号(a、b、in脉冲)来完成位置伺服系统的位置反馈,组成一个半闭环系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上,便于安装和避免机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影响。位置反馈环中传感元件增量式光电编码器将运动构件实时的位移(或转角)变化量以a、b相差分脉冲形式长线传输到现场控制站(pc机)中进行编码器脉冲计数,以获得数字化位置信息,主控微机机算给定位置与实际位置(即反馈到的位置)的偏差后,根据偏差范围采取相应的pid控制策略,将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压,并输出给伺服放大器,最终调节电机运动,完成期望值的定位。

伺服控制方法

  工业控制中常用的方法是pid调节器,尽管随着现代交流调速技术的发展,出现了各种新型控制算法,如自适应控制、专家系统、智能控制等。从理论分析,许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性,但是由于算法本身的复杂性,而且对系统进行模拟辨识比较麻烦,因此,在实际系统中实现时困难,对于传统的pid调节器而言,其最大的优点在于算法简单,参数易于整定,具有较强的鲁棒性,而且适应性强,可靠性高,这些特点使pid控制器在工业控制领域得到广泛的应用。对于数控系统中的控制对象而言并不复杂,用pid调节器更易实现预期效果。

位置环pid控制算法

  在数字pid调节控制系统中,引入积分环节的目的是为了消除静差,提高精度,但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时,会产生积分积累,引起系统较大的超调,甚至震荡,这对于伺服电机的运行来说是不利的。为减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响,采用积分分离pid控制正当其时,当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位置时,再恢复积分校正环节,以便消除系统的稳态误差。

  积分分离pid控制算法需设定积分分离阀,当|e(k)|》时,即偏差值较大时,采用pd控制,以保证伺服电机位置控制精度。

  离散化pid控制算式是:

  其中,k为采样序号,k=0,1,2;

  kp、ki、kd分别表示比例,积分、微分系数。在实际中,若执行机构需要的是控制量的增量,根据递堆原理可得增量式pid控制算式为:

控制系统参数的整定

  主控微机向控制卡发送pid参数,看给定的参数是否符合控制系统的要求,该过程需用参数整定实现。参数整定得主要任务是确定kp、ki、kd及采样周期t,比例系数kp增大,使伺服驱动系统的动作灵敏,响应加快,而过大会引起振荡,调节时间加长;积分系数ki增大,能消除系统稳态误差,但稳定性下降;微分控制可以改善动态特性,是超调量减少,调整时间缩短。通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法,以及归一参数整定方法。这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯(ziegler-nichols规则),通常可认为交流伺服系统的模型为一阶段有延迟环节的模型(带滞后的一阶环节):

  式中的一阶段响应特征参数k、l、和t可以由图3所示的s型响应曲线提取出来。求取这些参数对实际系统并不困难,可以通过对系统进行阶跃输入激励,得到响应曲线,再根据曲线求出其特征参数。于是可由ziegler-nichols整定规则得到:

  数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。一方面要满足香农定理,即s2max实际系统输入及反馈的最大频率max难以测定,另一方面采样周期并没有一个精确的计算公式,只能根据工程应用按经验规则选取,对于电机控制系统,要求较短时间采样周期,通常为几十毫秒。

  对于交流位置伺服控制系统而言,采用基于pc机的开发平台,用常规的pid调节器进行控制,只要参数整定适当,加之系统的机械精度(运动轴、齿轮、电机丝杠传动化)控制在一定误差范围内,电气控制精度(编码器脉冲)就可得到提高,鲁棒性强,可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。

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