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交流伺服系統PID控制方法實現
2012-11-26

交流伺服系統在制造業控制中得到了更加廣泛的應用,對控制的要求體現在響應速度快、速度精度高、調速范圍寬、加減速性能好。隨著計算機技術、電子技術、電機磁性材料的不斷發展,交流伺服控制逐漸成為工廠自動化領域中運動控制的主流〔1〕,有關各種新型控制算法不斷涌現,如自適應控制、磁場定向控制及直接轉矩控制、智能控制等。但是,傳統的PID控制方法以其實現的方便可靠性仍是其它控制算法的基礎。

一、系統組成原理
 系統的整體結構如圖1所示。

  該系統由四部分組成,即微機、伺服控制卡、交流伺服調速系統、傳感檢測。主控微機與控制卡相連,可以通過數據線發送位置或速度命令,設定PID調節參數,并進行數模(D/A)轉換,該模擬信號經過交流伺服放大器放大后驅動伺服電動機。電機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的位置反饋,組成一個半閉環系統。一般將光電碼盤裝在電機非負載軸的軸端上,便于安裝和避免機械部件振動和變形對位置控制系統產生不利影響。位置反饋環中傳感元件—增量式光電編碼器將運動構件實時的位移(或轉角)變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸到現場控制站(PC機)中進行編碼器脈沖計數,以獲得數字化位置信息,主控微機計算給定位置與實際位置(即反饋到的位置)的偏差后,根據偏差范圍采取相應的PID控制策略,將數字控制作用經數模轉換變成模擬控制電壓,并輸出給伺服放大器,最終調節電機運動,完成期望值的定位。

二、伺服控制方法

    工業控制中常用的方法是PID調節器,盡管隨著現代交流調速技術的發展,出現了各種新型控制算法,如自適應控制、專家系統、智能控制等〔2〕。從理論分析,許多控制策略都能實現良好的電機動靜態特性,但是由于算法本身的復雜性,而且對系統進行模型辨識比較麻煩,因此,在實際系統中實現時困難,對于傳統的PID調節器而言,其最大的優點在于算法簡單,參數易于整定,具有較強的魯棒性〔3〕,而且適應性強,可靠性高,這些特點使PID控制器在工業控制領域得到廣泛的應用。對于數控系統中的控制對象而言并不復雜,用PID調節器更易實現預期效果。
1、位置環PID控制算法
      在數字PID調節控制系統中,引入積分環節的目的是為了消除靜差,提高精度,但在過程的開始、結束或大幅增加設定值時,會產生積分積累,引起系統較大的超調,甚至振蕩,這對于伺服電機的運行來說是不利的。為減小電機在運行過程中積分校正對控制系統動態性能的影響,采用積分分離PID控制正當其時,當電機的實階位置與期望位置的誤差小于一定位值時,再恢復積分校正環節,以便消除系統的穩態誤差。
    積分分離PID控制算法需設定積分分離閥ε,當|e(k)|>ε時,即偏差值較大時,采用PD控制,減少超調量,使系統有較快響應;當|e(k)|≤ε時,即偏差值比較小時,采用PID控制,以保證伺服電機位置控制精度。

    離散化PID控制算式為:


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。在實際中,若執行機構需要的是控制量的增量,根據遞堆原理可得增量式PID控制算式為:

2、位置環控制算法流程

圖2所示為控制算法流程圖。


3、控制系統參數的整定

    主控微機向控制卡發送PID參數,看給定的參數是否符合控制系統的要求,該過程需用參數整定實現。參數整定的主要任務是確定Kp、Ki、Kd及采樣周期T,比例系數Kp增大,使伺服驅動系統的動作靈敏、響應加快,而過大會引起振蕩,調節時間加長;積分系數Ki增大,能消除系統穩態誤差,但穩定性下降;微分控制可以改善動態特性,使超調量減少,調整時間縮短。通常的方法有擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法,以及歸一參數整定方法。這幾種方法源于使用齊格勒-尼柯爾斯(Ziegler-Nichols規則)〔4〕,通常可認為交流伺服系統的模型為一階帶有延遲環節的模型(帶滯后的一階環節):


式中的一階響應特征參數K、L和T可以由圖3所示的S型響應曲線提取出來。求取這些參數對實際系統并不困難,可以通過對系統進行階躍輸入激勵,得到響應曲線,再根據曲線求出其特征參數。于是可由Ziegler-Nichols整定規則得到:
 
數字系統中采樣周期的選擇與系統的穩定性密切相關。一方面要滿足香農定理,即ωs≥2ωmax,實際系統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,只能根據工程應用按經驗規則選取,對于機電控制系統,要求較短采樣周期,通常為幾十毫秒。

三、結論
        對于交流位置伺服控制系統而言,采用基于PC機的開發平臺,用常規的PID調節器進行控制,只要參數整定適當,加之系統的機械精度(運動軸、齒輪、電機絲杠傳動化)控制在一定誤差范圍內,電氣控制精度(編碼器脈沖)就可得到提高,魯棒性強,可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求。


 

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