伺服电机的PID参数整定Word格式文档下载.docx
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这都要得益于PID控制的优点
(1)原理简单,应用广泛,参数(
、
)整定灵活:
(2)适用性强。
可以广泛的应用于电力、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业(3)鲁棒性强。
即其控制的质量受被控对象的变化不敏感。
二、PID参数整定方法
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
我们采用的是临界比例度法。
临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。
在闭合的控制系统里。
将调节器置于纯比例作用下,从大到小逐渐改变调节器的比例度,得到等幅振荡的过度过程。
此时的比例度称为临界比例度靠,相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期。
采用临界比例度法时。
系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是三阶或三阶以上。
三、临界比例度法步骤
1.选择一个足够短的采样周期,一般选择被控对象纯滞后时间的十分之一以下;
2.用选定的采样周期使系统工作。
去掉积分与微分作用,只保留比例作用。
逐渐减小比例度(带)(𝛿
=1/𝐾
_𝑝
),直到系统发生持续等幅振荡。
记录发生振荡的临界比例度𝛿
_𝑟
(𝐾
)及临界振荡周期𝑇
。
3.根据𝛿
和𝑇
的值,采用表中的经验公式。
计算出调节器的各个参数,即𝐾
_𝑃
,𝑇
_𝐼
_𝐷
值。
4.按“先P后I最后D”的操作程序将调节器的整个参数调到计算值上,若还不够满意可再进一步调整。
PID控制器的结构框图如图1所示。
在伺服控制系统中,将伺服驱动器设为速度模式作为速度环控制器,将运动控制卡作为位置环控制器,这是一种最佳的控制方案,因为控制卡输出的是经D/A转换后的电压模拟量,转换分辨率位数越多.速度精度越高,且可以避免位置模式下数字伺服驱动器输入脉冲频率受限制的问题,特别适合用于高速高精度场合。
但如果受硬件条件限制,采用的伺服电机只有位置(脉冲)模式,而绝大多数的控制卡在步进(脉冲)模式下不进行自带的PID及速度前馈的闭环控制,因而此控制方案无法实施。
虽然位置模式下伺服电机可以进行精确定位,但在运行过程中一般都存在一定的位置偏差无法消除。
因此,本文提出了一种基于数字PID控制器的伺服控制系统设计构想。
在此控制系统中,位置命令的给出、位置误差的计算以及位置环控制器数字PID算法,都是由计算机编写的程序来完成的。
松下伺服驱动器和电机组成了系统的速度环,而GALlL公司的运动控制卡DMC的作用有两个,第一是将数字PID程序算出的控制器输出值,即速度环的给定值转换为伺服驱动器接受的脉冲频率,第二是通过驱动器的分频输出得到伺服电机编码器反馈信号,然后再将此电机实际位置的数值传递给计算机,可以说DMC起到了类似A/D和D/A转换元件的功能。
四、伺服电机及驱动器的模型
对于采用PID控制的闭环控制系统,并不要求非常准确的被控对象模型。
因此在满足精度要求的情况下常采用低阶传递函数拟合被控对象。
设
表示输入到被控对象的阶跃试验信号,c(t)是被控对象的阶跃响应曲线。
如果曲线在t=0处斜率不为零而为最大值,然后上升到稳态值
,则该环节的数学模型可用二阶惯性环节来
,且
而之前测得的伺服电机速度响应曲线正满足此要求,按上述理论,可得到K=0.125,
,
伺服电机及驱动器组成的控制系统的速度环模型为
图1伺服电机模型
图2阶跃响应
从图2输出响应曲线可知,输出虽然没有出现超调,但调整时间过长,控制效果不佳。
现通过加入PID控制器.并采用临界比例度法整定PID控制器参数对系统进行调整。
结构框图:
图3系统框图
图3框图中,
为PID控制器
五、Matlab及Simulink仿真
利用Simulink工具进行仿真,并采用临界比例度法计算系统P,PI,PID控制器的参数,并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。
图4仿真图
第一步
获取系统的等幅振荡曲线,在Matlab中,把
置无穷,
置零,
的值从大到小进行实验,每次观察输出,直到输出等幅振荡曲线为止。
当
时出现等幅振荡,响应曲线如图所示
第二步
根据表可知P控制器整定时,比例放大系数
,将
值置24,运行Matlab得到P控制时系统的单位阶跃响应曲线如图所示
第三步
根据表,可知PI控制器整定时,比例放大系数
.8,积分时间常数
的值置为21.8,
的值为1/2.08,运行Matlab得到PI控制时系统的单位阶跃响应曲线如图所示
第四步
,常数
,微分
将
的值置为28.2,
的值为1/1.25,
的值为0.313,运行Matlab得到PID控制时系统的单位阶跃响应曲线如图所示
对比以上3张图,可以直观上看出,虽然在超调量方面,P和PID相对于PI控制器来说,效果要好一些。
但不能否认,三个的调整时间都显著偏大,因此,针对这个问题,改变一下参数即可。
增大微分时间常数使
运行Matlab得到系统的单位阶跃响应曲线如图所示
结论:
由于控制工程整定PID参数方法依据的是经验公式,不是在任何情况下都适用的,因此。
按照经验公式整定PID参数还需要根据实际控制过程进行一些调整,以取得最佳控制效果。
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