数控机床工作台电液伺服系统PID控制器设计

1、数控机床工作台电液伺服系统pid控制器设摘要：针对数控系统的定位精度和轮廓跟踪精度的要求， 提出了数控工作台电液伺服系统的pid控制方案，通过仿真 研究了控制方案的可行性并选出了最佳控制参数。结果表明 采用pid控制器可获得较好的控制性能。关键词：电液伺服系统；pid控制器；数控机床工作台中图分类号：th6文献标识码：a文章编号：1009-0118 (2012) 12-0227-02一、引言随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显 突出，作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直 是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与 静态特性的提高，本文设计了数控机床工作台电液伺服

2、系统 pid控制器。利用ziegler-nichols方法对pid参数进行了 整定，利用matlab工具对pid参数进行分析，结果表明采 用pid控制器可以获得较好的控制性能。能很好的满足数控 机床的定位精度和轮廓跟踪精度。通过给定的参数确定了数控工作台液压伺服系统伺服 阀的传递函数、动力机构的传递函数、电放大器传递函数、 传动齿轮与丝杠的传递函数和伺服放大器的传递函数。描绘 出系统的方框图，并为设计pid控制器实现系统的自动化控 制奠定了基础。由传递函数可得系统的方块图（图1）。二、数控工作台电液伺服系统pid控制器的设计（-）pid控制器的原理pid控制器是将偏差的比例（p）、积分（i）和

3、微分（d） 通过线性组合构成控制量，是一种线性控制器，它根据给定 值x （t）与实际输出值y （t）构成控制偏差对被控对象进 行控制。pid控制系统原理框图如图2所示：（二）pid控制器参数的实现数控机床工作台电液伺服系统采用pid控制，采用基于 ziegler-nichols方法的对 pid 参数进行整定。 ziegler-nichols方法是基于稳定性分析的pid整定方法。 该方法整定比例系数kp的思想是首先置kd=ki=0,然后增加 kp直至系统开始振荡（即闭环极点在j 3轴上），再将kp乘 以0. 6,即整定后的比例系数kp。ziegler-nichols方法简 单易行，但参数需进一步

4、调整。对于给定的被控对象传递函数，利用根轨迹法可以确定 km和wnio对应穿越虚轴j s轴时的增益即为km,而此点的 3值即为com。根轨迹是系统的某个特定参数，通常是增益从0变化到 无穷大时，描绘闭环系统特征方程的根在s平面的所有可能 位置的图形，其根轨迹见图3：由rlocfind命令，可知在两个复数分支穿越虚轴时系 统增益km=l. 9,该点频率wm=249rad/s,此时比例系数kp二km 即系统临界稳定的系统增益。所以：kp=0. 6km=l. 14kd二kpn 124wm=0. 0036ki=kp « ml2 n =90. 4伺服系统pid控制器的传递函数为:d(s)=kp

5、+kds+ki12s 该伺服系统采用单位负反馈闭环系统，带有pid控制器 的开环传递函数为：g ( s )=0. 197x4216x0.212(s2126002+2x0.512600s+l)s(s2123882+2x0.9412388s+l) x (kp+kds+ki12s)由于pid控制器是由偏差的比例(p)、积分(i)和微 分(d)的线性组合构成控制量，根据组合的不同类型可以 构成p、pi、pd和pid控制器。限于篇幅就不对p、pi、pd 控制器作具体介绍，只给出结果。根据matlab程序求出取 kp=0. 5、kd=0. 001、ki=0,上升时间=0. 0150s ,超调量 =0. 0604%,调节时间=0. 0280s,相位裕量=68. 7775rad/s, 幅值裕量=5. 1689db,系统开环伯德图(图4),对应的部分 程序如下：clear all, close allnum=0. 197*4216*0. 2*0. 001 0. 197*4216*0. 2*0. 5den=conv ( 1/388/388 2*0.94/