基于积分分离PID控制的交流伺服系统

基于积分分离基于积分分离 PID 控制的交流伺控制的交流伺 服系统服系统 时间 2010 01 27 11 28 05 来源 现代电子技术 作者 郭绪阳 祁小 辉 田李庄 1 引言引言 交流电动机伺服驱动系统由于其结构简单 易于维护的 优点逐渐成为现代产业的基础 其中交流伺服系统在机器人 与操作机械手的关节驱动以及精密数控机床等方面得到越来 越广泛的应用 交流伺服系统由交流电动机组成 交流电动 机的数字模型不是简单的线性模型 而具有非线性 时变 耦合等特点 用传统的基于对象模型的控制方法难以进行有 效的控制 对于交流伺服系统的性能 一方面要求快速跟踪 性能好 即要求系统对输入信号的响应快 跟踪误差小 过 渡时间短 且无超调或超调小 振荡次数少 另一方面 要 求稳态精度高 即系统稳态误差小 定位精度高 在交流伺 服控制中 常规控制方法普遍是以 PID 控制为基础 然而单 纯的 PID 控制存在超调量大 调节时间长 控制效率低等缺 点 而且其参数的选取比较困难 在普通的 PID 控制中 积 分环节的作用是消除静态误差 提高系统的控制精度 如果 在误差较大的初始阶段引入积分环节 会造成 PID 的积分累 积 从而引起系统较大的超调 因此 本文针对 PID 控制的 特点 设计了一种积分分离的控制方法 即当系统误差较大 时 取消积分环节 避免由于积分累积引起系统较大的超调 当系统误差较小时 引入积分环节 以消除误差 提高控制 精度 将这种积分分离 PID 控制应用于交流伺服系统的位置 实时控制 从而使控制过程的静态 动态性能指标较为理想 2 系统结构设计系统结构设计 积分分离 PID 控制交流伺服系统结构如图 1 所示 图中 d 为给定角位移 为电机转轴的实际角位移 e 为 d 和 进 行比较而得到的偏差 则有 图 1 中 u 为 PID 控制的转速期望值 d 为期望电机转 速 为实际电机转速 d 与 的偏差经过转速调节器产生期 望的电机电磁转矩 Td 由于内环的不足可由外环控制来弥补 所以转速调节器采用一般的 PI 调节器即可 而电机的电磁转 矩控制则采用直接转矩控制方法 3 积分分离积分分离 PID 控制器控制器 PID 控制是一种技术成熟 应用广泛的控制方法 其结 构简单 而且对大多数过程均有较好的控制效果 其离散 PID 控制规律为 式中 u k 为 k 时刻控制器的输出量 KP KI KD 分别为比例系数 积分系数和微分系数 e K 为当前时刻的 交流伺服系统的位置与期望值之差 e k 1 为上次采样时刻 的交流伺服系统的位置与期望值之差 由式 2 可得到控制器输出第 k 个周期时刻的控制量 u k 和第 k 1 个周期时刻的控制量 u k 1 之间的增量为 在 PID 控制中 积分环节的作用是消除静态误差 提高 系统的控制精度 如果在误差较大的初始阶段引入积分环节 会造成 PID 的积分累积 从而引起系统较大的超调 因此 本文针对 PID 控制的特点 设计了一种积分分离的控制方法 积分分离 PID 控制算法的程序框图如图 2 所示 当系统误差较大时 取消积分环节 采用 PD 控制 避 免由于积分累积引起系统较大的超调 当系统误差较小时 引 入积分环节 采用 PID 控制 以消除误差 提高控制精度 即 式中 0 为人为设定的阈值 积分分离控制算法可表示为 式中 T 为采样时间 a 为积分项的开关系数 即 4 实验研究实验研究 用于实验的交流电机参数为 Pn 2 2 kW Un 220 V In 5 A nn 1 440 r min r1 2 91 r2 3 04 Is 0 456 94 H Ir 0 456 94 H Im O 444 27 H Ten 14 N 通过实验表明 积分分离 PID 控制充分发挥了 PID 控制调 节精度高的优点 提高了系统的控制精度 5 结语结语 本文提出了一种基于积分分离 PID 控制的交流伺服系统 在系统误差较大时 取消积分环节