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基于積分分離PID控制的交流伺服系統(tǒng)

   2012年03月15日 14:49  
  1、引言
  
  本文針對PID控制的特點,設(shè)計了一種積分分離的控制方法,即當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時,取消積分環(huán)節(jié),避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào);當(dāng)系統(tǒng)誤差較小時,引入積分環(huán)節(jié),以消除誤差,提高控制精度。將這種積分分離PID控制應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的位置實時控制,從而使控制過程的靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)較為理想。
  
  2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
  
  積分分離PID控制交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中θd為給定角位移,θ為電機轉(zhuǎn)軸的實際角位移,e為θd和θ進行比較而得到的偏差,則有:
  
  圖1中,u為PID控制的轉(zhuǎn)速期望值;ωd為期望電機轉(zhuǎn)速;ω為實際電機轉(zhuǎn)速;ωd與ω的偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生期望的電機電磁轉(zhuǎn)矩Td由于內(nèi)環(huán)的不足可由外環(huán)控制來彌補,所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用一般的PI調(diào)節(jié)器即可,而電機的電磁轉(zhuǎn)矩控制則采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
  
  3、積分分離PID控制器
  
  PID控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制方法,其結(jié)構(gòu)簡單,而且對大多數(shù)過程均有較好的控制效果。其離散PID控制規(guī)律為:
  
  式中,u(k)為k時刻控制器的輸出量;KP,KI,KD分別為比例系數(shù),積分系數(shù)和微分系數(shù);e(K)為當(dāng)前時刻的交流伺服系統(tǒng)的位置與期望值之差;e(k-1)為上次采樣時刻的交流伺服系統(tǒng)的位置與期望值之差。
  
  由式(2)可得到控制器輸出第k個周期時刻的控制量u(k)和第k-1個周期時刻的控制量u(k-1)之間的增量為:
  
  在PID控制中,積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。如果在誤差較大的初始階段引入積分環(huán)節(jié),會造成:PID的積分累積,從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。因此,本文針對PID控制的特點,設(shè)計了一種積分分離的控制方法,積分分離PID控制算法的程序框圖如圖2所示。
  
  當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時,取消積分環(huán)節(jié),采用PD控制,避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào);當(dāng)系統(tǒng)誤差較小時,引入積分環(huán)節(jié),采用PID控制,以消除誤差,提高控制精度。即:
  
  式中,ε>0為人為設(shè)定的閾值。
  
  積分分離控制算法可表示為:
  
  式中,T為采樣時間,a為積分項的開關(guān)系數(shù),即:
  
  4、實驗研究
  
  用于實驗的交流電機參數(shù)為Pn=2.2kW,Un=220V,In=,nn=1440r/min,r1=2.91Ω,r2=3.04Ω,Is=0.45694H,Ir=0.45694H,Im=O.44427H,Ten=14N。
  
  通過實驗表明,積分分離PID控制充分發(fā)揮了PID控制調(diào)節(jié)精度高的優(yōu)點,提高了系統(tǒng)的控制精度。
  
  5、結(jié)語
  
  本文提出了一種基于積分分離PID控制的交流伺服系統(tǒng),在系統(tǒng)誤差較大時,取消積分環(huán)節(jié);當(dāng)誤差較小時,引入積分環(huán)節(jié),從而使系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)較為理想。這種控制方法提高了系統(tǒng)的精度。仿真實驗結(jié)果表明,該控制器具有很好的動靜態(tài)性能,是一種行之有效的控制器。

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