交流位置伺服系统PID控制方法实现

 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ε，当|e(k)|》ε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ωs≥2ωmax实际系统输入及反馈的最大频率ωmax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。