运动控制器的PID参数整定
- 格式：pdf
- 大小：162.27 KB
- 文档页数：3
第 5 期 薛 开 ,等 : 运动控制器的 PID 参数整定
・657 ・
当控制度为 1 . 05 时 T = 0 . 05τ; k P = 1115 ( Tτ/ τ ) ; T I = 2100τ; T D = 0 . 45τ .
前馈控制的系统闭环阶越响应曲线 , 可以看出系统 动态性能和响应速度有了很大的提高 .
近年来 ,随着运动控制技术的不断进步和完善 , 运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产 品 ,已经被越来越多的产业领域接受 ,并且它已经达 到了一个引人瞩目的市场规模 . 因此如何使得运动 控制器能充分发挥它精度高 、 速度快 、 运动平稳等优 点 ,就显得尤为重要 . 该文正是由此才提出了基于运 动控制器的 PID 参数整定方法 .
Abstract : Three t uning met hods of PID parameters using speed/ acceleration feedforward were st udied. Effec2 tiveness of t hese met hods was proved by t he closed-loop cont rol system wit h inner velocity loop and outer posi2 tion loop , which is composed of t he motion cont roller based on t he computer standard bus and Yaskawa servo motor. The speed/ acceleration feedforward algorit hm was also proved. Experimental result s indicate t hat t he speed/ acceleration forward-feed can increase t he systems robust ness and enhance t he cont rol system ’ s quality. The t hree t uning met hods are convenient , quick and practical. Keywords :motion cont roller ; PID parameters t uning ; feedforward cont rol
运动控制器的 P ID 参数整定
薛 开 ,吕元元 ,祝海涛
( 哈尔滨工程大学 机电工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 : 介绍了运动控制器的分类和功用 ,引入了速度/ 加速度前馈控制算法 ,并分析算法中各参数对系统控制性能 的影响 . 详述了 3 种运动控制器的 PID 参数整定方法 ,并采用基于计算机标准总线的运动控制器和安川交流伺服电 机组成速度内环 、 位置外环的闭环控制系统 , 对该 3 种方法进行验证 , 同时也验证了速度/ 加速度前馈算法 . 实验结 果表明 : 速度/ 加速度前馈可以增加系统的鲁棒性 ,提高了系统的控制品质 ,3 种整定方法方便 、 快捷 、 实用 . 关键词 : 运动控制器 ; PID 参数整定 ; 前馈控制 中图分类号 : TP273. 24 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 7043 ( 2005) 05 - 0655 - 03
第 26 卷第 5 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol. 26 №. 5 2005 年 10 月 Oct . 2005 Journal of Harbin Engineering University
选择控制度 δ 后 , 由 Ziegler Nichols 整定公式得到 K P = 0 . 6 Ks ; T I = 0 . 5 Ts ; T D = 0 . 125 T s .
2. 2 扩充响应曲线法
式中 : D dac为伺服周期的输出命令 , 它被转换为一定 的电压输出 ; P1 为位置放大系数 ; P2 为速度环放大 系统 ; Fe ( n ) 为伺服周期内的跟随误差 ; V c ( n ) 为伺 服周期内的指令速度 ; Ca ( n ) 为伺服周期内的指令 加速度 , 即每个伺服周期最后两个指令位置的差值 ;
2) 当 IM 在全程有效时
G ( Z) = Y ( Z) = R ( Z)
式中 : A = 1 - Z - 1 , B = Kvff ( 1 - Z - 1 ) + Kaff ( 1 2 Z - 1 + Z - 2) , C = KP 1 + n1 Z - 1 + n2 Z - 2 . 1 + d1 Z - 1 d2 Z - 2
n1 、 n 2 为带阻滤波器系数 .
由传递函数可知加入前馈校正系统的稳定性不 受影响 , 因此 , 在整定时可先不加前馈整定得到一个 结果 . 文中采用的试验电机为 200 W 的安川系列交 流伺 服 电 机 和 驱 动 器 , 其 额 定 转 矩 为 M N = 0 . 637 N ・ m , 额定转速为 n N = 3 000 r/ m ; 基于计算 机标准总线的运动控制器采用美国 Delta tau 公司 的 Mini- PMAC 运动控制器 . 在调试过程中 , 试验了 3 种 PID 参数整定方 法. 2. 1 扩充临界比例度法 扩充临界比例度法[ 4 - 6 ] 是以模拟调节器中使 用的临界比例度法为基础的一种 PID 数字调节器 参数的整定方法 . 首先选择合适的采样周期 T , 调 节器做纯比例 K P 控制 , 逐渐加大比例 K P , 使控制 系统出现临界振荡 , 得到相应的临界振荡周期 Ts , 并记下临界振荡增益 Ks , 然后选择控制度 δ:
1 运动控制器及控制算法
111 运动控制器概述
运动控制器是一通过电机和驱动器执行机构进 行运动控制以实现预定运动轨迹目标的装置 . 目前 , 运动控制器从结构上主要分为如下三大类[ 1 ] : 1) 基于计算机标准总线的运动控制器 . 这种运
收稿日期 :2004 - 09 - 29. 基金项目 : 黑龙江省自然科学基金资助项目 ( E0229) ; 黑龙江省科技攻关项目 ( GC03A119) . 作者简介 : 薛开 (1964 - ) ,男 ,教授 .
eδ t] ∫ δ= [ min e δ ∫ t] [ min
2 0 ∞ 0 2
∞
D
,
A
2 PID 参数整定
该运动控制器的参数 PID 调节器控制算法如 下:
Ddac ( n) = KP ×[ P1 ×( Fe ( n) + Kvff ×V c ( n) + Kaff ×Ca ( n) + KI × Ie ( n) ) - KD × P2 ×A v ( n) ].
图 1 PID 控制器结构框图
Fig11 Structure of PID controller
比例增益 K P 提供系统的刚性 ; 微分增益 KD 提供稳定需要的 阻 尼 ; 积 分 增 益 K I 消 除 稳 态 误 差 [ 3 ] . IM 决定积分增益是全程有效还是只在控制 速度为 0 时才有效 . 另外 ,速度前馈增益 Kvff 减少由 于阻尼 ( 与速度成正比) 引入的跟随误差 , 加速度前 馈增益 Kaff 减少或消除由于系统惯性 ( 与加速度成 正比) 带来的跟随误差 . d 1 、 d 2 为带通滤波器系数 ,
动控制器大都采用 DSP 或微机芯片作为 CPU ,可完 成运动规划 、 高速实时插补 、 伺服滤波控制和 PL C 功能 . 如美国 Delta tau 公司的 PMAC 多轴运动控制 器等 . 目前这种运动控制器是市场的主流产品 . 2) soft 型开放式运动控制器 . 它将运动控制软 件全部装在计算机中 , 而硬件部分仅是计算机与伺 服驱动和外部 I/ O 之间的标准化通用接口 . 用户可 以利用开放的运动控制内核 , 开发所需的各种类型 的高性能运动控制系统 ,如美国 MDSI 公司的 Open CNC ,德国 PA 公司的 PA8000N T 等等 . 3) 嵌入式结构的运动控制器 . 它是把计算机嵌 入到运动控制器中 , 实质上是基于总线结构的运动 控制器的一种变种 . 如美国 ADEP T 公司的 SmartCont roller 等 . 1. 2 控制算法 基于计算机标准总线的运动控制器 , 具有强大 的伺服控制功能 . 它是在传统 PID 控制算法的基础 上 ,引入了速度和加速度前馈[ 2 ] , 以增强系统的鲁
・656 ・
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 26 卷
棒性 . 一旦出现扰动 ,前馈调节器就直接根据扰动的 大小和方向 ,按照前馈调节规律补偿扰动对被控量 的影响 . 由于扰动作用到系统之前 ,即被控量在发生 变化之前 ,前馈调节器就进行了补偿 ,从而在很大程 度上提高了系统控制品质 . 其中速度前馈用来减小 微分增益或测速发电机环路阻尼所带来的跟随误 差 ,而加速度前馈用来补偿由于惯性所带来的跟随 误差 ,同时 ,加上陷波滤波器来防止谐振 , 以抵消共 振 . 基于上述分析提出了 PID 加陷波伺服滤波器控 制 ,即速度/ 加速度前馈控制 ,其 PID 控制器结构框 图如图 1 所示 .
2 . 3 PID 归一参数整定法
该方法只需要整定一个参数 , 因此称为归一参 数整定法 [ 5 ] . 设增量型的 PID 算法为 Δu ( k T ) = K P{ [ e ( k T ) - e ( k T - T ) ] +
扩充响应曲线法 [ 4 - 6 ] 整定 PID 参数 , 即给系统 施加一个阶跃输入信号 , 得出对象在阶跃输入下的 整个变化过程的动态响应曲线 , 如图 2 所示 . 曲线 1 代表阶跃输入下的系统响应曲线 , 曲线 2 代表最大 斜率处切线与时间轴的交点 , 曲线 3 是被控对象时 间常数范围 . 在曲线上求出等效纯滞后时间 τ, 惯性 时间常数 Tτ 和它们的比例值 Tτ/ τ, 之后由 ZieglerNichols 整定公式得到 :
