一种高速伺服系统的精确控制策略

1、一种高速伺服系统的精确控制策略         工业自动化中广泛采用的PID控制，对于非线性，大时滞，强耦合等被控对象控制效果并不理想，也就是说，PID控制器对不同的对象要用不同的参数，而且调整不方便，抗干扰能力差，超调量大；模糊控制的局限性在于它的控制作用只能按挡处理，是一种非线性控制，控制精度不高，存在静态误差，一般在语言变量偏差趋于零时有振荡。这样，将PID控制的优点(控制精度高) 和模糊控制的优势(不依赖于被控对象的数学模型，设计算法简单，易于实现，能够直接从操作者的经验归纳，优化而得到，且适应能力好，抗干扰能力强，

2、鲁棒性好) 相结合，组成一种复合控制器，即模糊PID控制器。实验证明在高速伺服系统中取得了良好的效果。    一、模糊PID控制原理    1. PID参数Fuzzy自整定控制原理    PID参数Fuzzy自整定控制是利用模糊控制器对PID控制器进行参数的在线自整定。其过程是：先找出PID三参数和误差与误差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测误差和误差变化，再根据模糊控制原理对上述三参数进行在线修改，以满足不同误差和误差变化时对控制器参数的不同要求。常规PID控制算法为：  &

3、#160; 式中，E(k)=E(k)+E(k-1)和EC(k)=E(k)-E(k-1) (k=0，1，2)分别为其输入变量偏差与偏差变化，kp，ki及kd分别为表征其比例，积分及微分作用的参数。Fuzzy自整定PID参数控制器是一种在常规PID控制器的基础上，应用Fuzzy集合理论建立参数kp，ki与kd同偏差绝对值|E|和偏差变化绝对值|EC|间的二元连续函数关系：    并根据不同的|E|，|EC|在线自整参数kp，ki与kd 的Fuzzy控制器。图1 PID参数Fuzzy自整定控制原理    2. PID参数Fuzzy整定策略&

4、#160;   一般情况下，在不同|E|，|EC|下被控过程对参数kp，ki与kd的自整定要求可归结为：    当|E|较大时，为使系统具有良好的快速跟踪性能，避免因E瞬间变化大而引起微分饱和，应取较大的kp与较小的kd。为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取ki= 0；根据实际情况也可直接采取P控制。    当|E|处于中等大小时，为了减小系统的超调同时保证系统的响应速度，kp应取得小些；ki的取值要适当；在这种情况下，kd的取值对系统响应的影响较大，一般取值经验为：|EC|较大时，kd可取稍

5、小；|EC|较小时，kd可取稍大。实际中也可直接采用PD控制。    当|E|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，提高系统的抗干扰性，避免系统振荡，kp与ki均应取得大些。同时为避免系统在设定值附近出现振荡，kd值的选择很关键，可根据|EC|来决定，当|EC|较大时，kd可取稍小；|EC|较小时，kd可取稍大。    二、P-FUZZY- PI多模多段控制器    P-FUZZY- PI多模多段控制器是根据不同的条件和要求分段用不同模式进行控制，即当误差大于某一阀值时，用比例控制，以提高系统的响应速度，加

6、快响应过程；当误差小于某一阀值时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼特性，减小响应过程的超调；当误差达到平衡点附近时，采用PI控制，利用其积分作用的特点最终消除误差。    三、模糊PID控制在缝纫机中的应用    1. 工业缝纫机伺服控制系统简介    工业缝纫机控制系统需要精确定位。无级调速的伺服系统。整个系统由电磁离合器电机(亦称电磁调速异步电动机)、与缝纫机机械部分相关的功能电磁阀、主控电路板，测速反馈板、脚踏板控制指令接口板和电源板等组成。图2 工业缝纫机计算机控制系统  &

7、#160; 图2为系统结构框图。其中，内闭环为速度环，外闭环为位置环。控制算法1用于电磁离合器电机调速，控制算法2用于电磁离合器电机的精确定位。被控对象电磁离合器电机的基本调速方式为PWM调速。其技术指标中最重要的是定位精度。通常工缝机的最高转速可达到5000 转。在如此高的速度下要求其迅速，精确定位，定位精度最大不能超过-5mm - 5mm。因为随后的剪线和挑线劝作都是依赖于其精度的，倘若定位不准，很可能会发生打针的现象。    2. 工业缝纫机系统控制器算法    当只采用PID控制时，存在以下问题：  

8、60; (1) 死区太大。当积分常数很小时，控制精度差，控制不平稳。如果积分时间常数太大，又会引起大的超调，震荡，过渡过程长，控制精度也难以保证。    (2) 定位精度差。给参数的确定带来很大困难。    当用分段PID控制，将系统速度分为5 段，每段分别用不同的PID参数，控制效果能达到满意的效果，可是对所有的点还不能完全满足精确的要求，而且，随着硬件温度上升，精确性变得更差。    由于以上原因，最终制定控制器的算法方案为：当系统偏差较小时，采用参数自整定PID控制；当系统出现较大的偏差时，切换为模

9、糊控制。    具体控制采用增量式数字PID控制。算式为：    式中，kp，ki，kd为比例、积分、微分系数， ，T 为采样周期，在动态响应过程中，根据偏差E 和偏差变化EC 的特征信息由模糊推理产生一个相应的合理的变化并作用于Kp，Ti，Td即    式中，、分别为比例增益和积分时间的调整系数，其值是根据不同系统由经验给出。kpo、kio、kdo为PID控制器的初始整定值，在此作用下的PID参数根据偏差E和偏差变化EC进行动态调整以满足动态性能。(t)的在线调整则由一个Fuzzy推理生成，根据当前E与

10、EC，被控对象的特点和实际经验推理产生出一个模糊变量H，其反映在动态过程中应具备的变化趋势的模糊决策，H经非模糊化处理后得到的h(t)，并由它在线调整，即： (t)=(t-1)+h(t)(t)0，1 为调整的变化速度。    3. 实验结果对比    使用三种控制策略的缝纫机定位精度对比见表1，此时缝纫机转速为2000 r/min。    四、结论    综合试验结果可以看出：模糊PID控制能使系统响应快且无超调，有更强抗负载扰动能力，具备更强的鲁棒性。该模糊PID控制器经过调试、运行，表明有快速反应和消除静差的作