基于PMAC的数控系统PID参数调节研究解读.docx
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基于PMAC的数控系统PID参数调节研究解读
0平台上编译调试运行)。
在GID7.2中输入车顶的CAD图形
后,通过GID网格图形输出功能,得到车顶的三角网格图形(允许误差2mm),共有3320个三角片组成。
确定d的值为45mm后,使用“boundingbox”法得到喷枪空间路径和走向。
路径上生成322个等份的离散点,即路径分为322段,设在每一段上喷枪移动速率恒定,则有322种喷枪速率需要优化。
每一段路径再分为5段。
由此,算法中各个参数如下:
期望涂层厚度qd=50×
10-6mm,涂层厚度最大允许偏差qw=10×10-6mm,喷涂半径R=60mm,喷涂距离h=120mm,三角片个数N=3320,分段数P=322,
每段长度dk=60mm,二次分段数m=5,权系数ω=(0.4,0.6)T,匀速喷涂时V=329mm/s,优化喷涂时以V=329mm/s作为算法迭代的初始值。
仿真结果如表1所示。
表1仿真结果
Tab.1Simulationresult
4结论与展望
(1)仿真实验表明,优化轨迹喷涂和匀速喷涂都满足给定的约束条件的要求,前者所花费时间小于后者且喷涂效果更好。
(2)从工程应用角度出发,提出了沿指定路径的喷枪轨迹规划的优化算法,为喷涂机器人离线编程系统的建立奠定了基础。
提出的自由曲面上的喷涂机器人喷枪轨迹规划的优化算法和数学模型还可以用于其他类型机器人轨迹规划。
(3)实际应用中可能遇到更为复杂的曲面上的喷涂作业,这就涉及到曲面分片后的喷枪路径组合问题以及每一片边界上的喷枪轨迹优化问题。
面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化设计是下一步工作研究的方向。
参考文献
1J.K.Antonio,R.Ramabhadran,andT.-L.Ling,AFrameworkforTrajectory
PlanningforAutomatedSprayCoating[J].InternationalJournalofRoboticsandAutomation,vol.1997,12
(4):
124 ̄134.2J.Y.LaiandD.J.Wang.Astrategyforfinishcuttingpathgenerationofcompoundsurfaces[J].Computersinindustry,1994,25:
189 ̄209.
平均厚度(!
m)
最大厚度(!
m)最小厚度(!
m)喷涂时间(S)
优化
49.1
54.345.550.5匀速(329mm/s)
48.858.442.159.8
*来稿日期:
2006-12-19
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【摘要】研究了数控加工系统中的位置控制模型,讨论了基于PMAC的数控系统PID参数的调节原理及其调节方法,并说明了PID参数调节对于机床精度的重要性。
关键词:
PMAC;数控系统;PID参数调节
【Abstract】IthasastudyonlocationcontrolmodelofNCoperationsystemanddiscussedadjusting
methodandadjustingprincipleofnumericalcontrolPIDparameterregulationbasedonPMAC,andanalyzedtheimportanceofPIDparameteradjustmentformachine'sprecision.
Keywords:
PMAC;Numericalcontrolsystem;PIDparameteradjustment
中图分类号:
TH16,TG519.1文献标识码:
A
基于PMAC的数控系统PID参数调节研究
赵保亚(北华航天工业学院机械工程系,廓坊065000)
ResearchofnumericalcontrolsystemPIDparameterregulationbasedonPMAC
ZHAOBao-ya
(NorthChinaInstituteAviationEngineering,MechanicalEngineeringDepartment,Langfang065000,China)
1前言
在机电一体化系统中,为了获得良好的稳态特性和动态特性,需要对系统的控制环进行校正和调整。
在整个机电一体化系统中,它对系统的影响是巨大的,所以当系统的基本特性(包括机械传动、电机选型等)确立以后,系统的特性(模型)就确定下来,为了获得良好的控制效果,就需要对系统的控制环进行调整。
数控装置中,为了保证机床在运行、
启动或者停止时不产生冲击、滞后、超调或者振荡,就必须对伺服电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制,并由此而产生了各种各样的控制策略,例如比例(proportion)积分(integral)、微分控制(differential)(即PID控制);相位超前
(leading)、滞后(lag)控制(即LL控制);反馈(feedback)、前馈(feedforward)控制;模拟自适应(analog-
self-adapt)控制等。
在以PMAC为核心控制器的系统中,PMAC卡为用户提供了PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波的控制环算法,能够
满足大部分应用场合的要求,用户可以根据自己系统的要求来&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
文章编号:
1001-3997(2007)10-0146-03
第10期
-146-
2007年10月
MachineryDesign&Manufacture
机械设计与制造
调整其中的相关参数。
除此外,PMAC也为用户的特殊要求提供扩展的伺服控制算法,并且支持用户自己编写的伺服算法(需要用户熟悉Motorola56300系列DSPCPU的汇编语言)。
评价控制系统的性能指标,主要根据实际要求确定。
这种要求可概括为稳定性、精确性和快速性。
而数控系统则特别要求:
(1)高速运行状态下,位置控制不产生超调;(2)稳定运行状态下,能够有较快的响应速度;(3)低速运行状态下,机床不产生“爬行”;(4)要求整个系统能够快速而精确定位。
2位置控制模型
2.1数控机床位置伺服系统传递函数
如图1所示是半闭环位置伺服系统结构+伺服电机为直流伺服电机,在建立系统数学模型时确定速度调节及功率放大环节为一比例积分环节。
通常速度控制等效于一个一阶环节
KV/(TvS+1),位置控制设计为比便环节Kp,伺服电机等效于一
个积分环节。
图1半闭环系统结构图
等效的数控机床进给伺服系统的数学模型图略。
此系统的开环传递函数为:
Go(S)=K/S(Tp+1)闭环传递函数为:
Gc(S)=K/(TvS2+S+K)
其中K=KaKpKrKe为系统增益,令Tk=1/K称为位置控制系统的时间函数。
由系统开环传递函数知其为I型系统,它对斜坡输入有有限位置偏差,指数加减速控制的输入类似于斜坡函数,其稳态位置误差为常数。
2.2PID控制的原理和特点及其控制分析2.2.1PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、
稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
(1)比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
(2)积分(1)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(Sys-
temwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须
引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
(3)微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“
比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.2.2PID控制分析
对于数控系统而言,其输入都是已知的时变函数,并要求系统响应以零稳定误差跟踪这些输入信号。
假设程序指令速度为
Vi,则其速度变化为:
加速过程V(t)=Vi(1-e-t/T),T为过渡过程时间常数;稳速过程V(t)=Vi;减速过程V(t)=Vie-t/T。
数控系统的速度输入一般是以指数变化规律(即S曲线变化规律)进地的,可以证明对于指数形式变化规律的控制过程,
PID控制是一种最优的控制策略,其输入e(t)和输出u(t)之间
成比例、积分、微分关系。
即有:
u(t)=KP[e(t)+1
t
0
!
e(t)dt+Td
de(t)]
或者u(s)=KPE(s)+KiE(s)KdsE(s)
其中:
Ti为积分时间常数,Td为微为时间常数;
Kp称为比例系数,Ki=Kpi
称为积分系数,Kd=KpTd称为微
分系数。
由于Kp、Ki、Kd分别表征PID控制器的比例、积分、微分作用的参数,各参数在调节过程中的作用分别描述:
比例系数Kp的大小主要决定系统的快速性。
Kp越大,系统响应速度越快,调节精度越高。
但Kp过大,将导致系统不稳定;
Kp过小,则调节精度降低。
积分系数Ki的作用是消除系统的静态误差。
Ki太大系统振荡次数增加,Ki太小系统调节精度降低。
微分系数Kd改善系统的动态特性。
Kd过大,则超调量较大,系统调节时间长,Kd过小,超调量也较大,调节时间也长。
只有合适,才可以得到满意的过渡过程。
3控制器的选择
PMAC控制器是某数字系统公司生产的多轴运动控制器,
借助于某公司的DSP5600l/56002数字信号处理器,PMAC运动控制器可以同时操作1 ̄8个轴。
它能够对存储在它内部的程序进行单独的运算,执行运动程序、PLC程序,进行伺服环更新,并
第10期-147-
赵保亚等:
基于PMAC的数控系统PID参数调节研究
以串口、总线两种方式与计算机进行通信。
而且可以自动对任务进行优先级别判断,从而进行实时的多任务处理,提高了控制系统的运行速度和控制精度。
图2PEWIN32调节PID参数界面
(a)理想情况电机紧跟指令位置(b)位置偏差
原因:
摩擦、恒力/系统限制造成调整:
增加K1(x33)或加大K2
(lx30)
(c)响应迟缓
(d)超调和振动
原因:
系统阻尼过大或刚性太小原因:
系统阻尼太小或刚性太大调整:
增大K2(lx30)或减小KD(lx31)
调整:
减小KP(lx33)或增大KD
PMAC运动控制器还提供了PID和阶式位置伺服环滤波
器。
由PMAC应用中一个典型的PID伺服环组成可见,要使系统伺服特性达到刚性好,又稳定并且跟随误差少,需要调整PID参数。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是
根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
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:
工二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。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应
出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PMAC本身提供了调节PID参数的软件PEWIN32,PEWIN32提供了非常方便的调节方法(如图2所示),并且能够
得到调节后系统的阶跃特性曲线(如图3所示)。
在一个良好的控制系统中,仅有PID控制是远远不够的,
PID控制是一种反馈控制,它的控制机理是需要有反馈信号的。
从反馈元件得到信号然后同指令信号进行比较运算是有延时的,而在很多系统中,延时是非常常见的,反馈控制会失去宝贵的时间,可能使控制失效或者造成系统滞后。
为了防患于未然(或者说已经知道扰动量的大小,系统提彰线路个相反方向的指令,所以也有人说前馈控制是基于扰动信号的),很多系统都引进的前馈控制。
前馈控制作用于系统前向通道上,工作原理见4。
在PMAC中前馈参数包括速度、回速度、摩擦前馈,匀可调整。
图4中绿色为指令速度曲线,红色为实际速度曲线,兰色为速度跟随误差线。
4结速语
在基于PMAC的数控系统中,通过调节PMAC控制器提供了
PID+速度/加速度前馈调节器的参
数,可使数控系统的性能达到最佳状态。
参考文献
1杨更更,叶佩青,杨开明,游华云.基于PMAC的数控系统PID参数自适应参数调节.机械工程师,2002(2):
12 ̄15.2PMAC附件软、
硬件手册,2002.No.10-148-Oct.2007
机械设计与制
造
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- 基于 PMAC 数控系统 PID 参数 调节 研究 解读