数字PID在直流电机控制中的研究与应用

1、数字PID在直流电机控制中的研究与应用摘要：本文主要研究的是数字PID控制技术在运动控制领域中的应用。众所周知，运动控制系统最主要的控制对象是电机，在生产过程特别是核电无损检测设备上，电机的运行状态要满足现场检测需求，对电机运动精度的控制起着至关重要的作用。因此下面利用PID控制技术对直流电机运动控制进行简单的分析和研究。关键字： 数字PID、运动控制、直流电机1.引言：在核电站无损检测设备的运动过程中，高效的调节PID参数可以提高设备运行的可靠性和稳定性。在传统的模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中由于现场环境的不确定性，使系统很难达到最佳的控制效果

2、。因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。2.运动控制系统概述运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制和管理，使其在各自驱动装置的作用下，按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。在核电检测设备中所采用的一个最基本的控制系统如图1所示。该运动控制系统主要由电机，驱动器，编码器，运动控制器和控制电脑组成，其中运动控制器作为伺服控制系统的智能元件，对整个系统起主导作用。图1控制系统结构图3.PID控制原理控制算法是微

3、机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。3.1模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图2所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图2常规 PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差： （1.1）将偏差的比例、积分、微分通过线性组

4、合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。模拟PID调节器的控制规律为： （1.2）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。模拟PID调节器的传递函数为： （1.3）对于PID调节器各校正环节的作用，简单的说主要包括：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差

5、信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。3.2数字PID在DDC系统中,用计算机取代了模拟器件,控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此,系统中数字控制的设计,实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算。故在计算机控制系统中,首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。 为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化,我们把式（1.1）中、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式（1.1）变为： （1.4）当采样周期T很小时可以用T近似代替，C可以用近似代替，“积分”

6、用“求和”近似代替，即可作如下近似 （1.5） （1.6）这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程 （1.7）上式中是偏差为零时的初值，上式中第一项起比例控制作用，称为比例（P）项，即 （1.8）第二项起积分控制作用，称为积分（I）项即 （1.9）第三项起微分控制作用，称为微分（D）项即 （1.10）这三种作用可单独使用也可合并使用，合并之后的组合为：PID控制： （1.11）式（1.7）的输出量为全量输出，它对应于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此，式（1.7）又称为位置型PID算式。它的示意图如图3所示。图3数字PID位置型控制示意图框图4.数字PID参数整定与普通的控制系统

7、一样，我们所采用的直流电机控制系统也包括三环控制，即电流环、速度环和位置环。电流环是根据电流命令信号调整电机电流，速度环是用于调整电机的运动速度。而对于检测设备的运动控制系统来说，最重要的还是设备的定位精度，从而使得对位置环的控制显得尤为的重要。首先介绍一下在实际中常用的PID整定方法。4.1PID参数整定方法PID调节器的参数整定方法有很多,但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。而最直接有效的工程整定方法就要数经验法了。经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测

8、量值跟踪与设定值曲线来调整P、I、D三者参数的大小的。具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长；积分时间再加长；曲线振荡频率快；先把微分降下来；动差大来波动慢；微分时间应加长。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：让调节器参数积分系数,实际微分系数,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。取比例系数为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作

9、阶跃变化，直至求得满意的控制过程。积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则将原比例系数增大一些，再调整积分系数力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。引入适当的实际微分系数和实际微分时间,此时可适当增大比例系数和积分系数。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。4.2改进的PID控制方法对于位置环的控制策略，PID控制由于结构简单，稳定性好，可靠性高等优点在伺服系统中已被广泛采用。但是，由于传统的数字PID进行控制时，使用比例环节会使控制输出与输入误差信号成比例改变，而实际值与给定值通常

10、会存在偏差，这个偏差称作稳态误差。为消除稳态误差，需引入积分环节以提高精度。但是在加入积分校正后，产生积分累计会产生过大的超调量，甚至在给定值上下震荡，这在电机的运行过程中是不允许的。为了解决这些问题我采用了如下改进措施：（1）积分分离法在用标准的PID数字控制器控制惯性较大的对象时，由于开始偏差较大或者累加积分项太快，将会使系统产生过大的超调量，甚至引起振荡。其主要原因是积分作用太强甚至饱和。对于时间常数较大的被控对象，在阶跃信号的作用下，偏差不会在几个采样周期内消除掉，积分项的作用可能使控制作用输出达到极值，这种情况下系统会出现过大超调，产生缓慢振荡，这在实际应用中是不允许的，但是积分控制

11、能消除系统的稳态误差（如抑制速度环零漂），提高定位精度，所以仍然需保留，这时就需要引入积分分离算法，使得既可以保持积分的作用又减小了超调量，从而较大改善控制性能。积分分离算法就是要设置积分分离阈值。当时，偏差值较小，采用PID控制，可保证系统的控制精度。当时，也就是偏差值比较大时，只采用PD控制，可使超调量大幅度降低。图4为惯性较大的控制设备在使用阈值分离PID控制方法前后，在设备启动后，预设位置与实际反馈位置之差TE随时间变化的图形。由图可见，使用积分分离后，设备启动和停止时能在短时间内达到稳定状态，很大程度上改善了系统的控制性能。图4积分分离PID控制前后位置偏差（2）带阈值PID控制法

12、为避免当机械设备运到到位后，控制作用的频繁变动造成机械磨损，建议在积累偏差超出一定范围后才作调整。设定允许误差范围。当时，输出控制作用；当时，将控制作用减弱甚至不输出控制作用；图5为采用带阈值PID控制算法前后，在设备处于停止状态，但是伺服开启的情况下预设位置与实际反馈位置之差TE随时间变化的图形。由图可明显的看到，使用阈值PID控制后，设备的抖动状况消除。图5阈值PID控制前后位置偏差5.结论实践表明，在检测设备运动控制系统中所使用的数字PID改进控制算法，很好的改善了系统的性能，提高了系统的运动控制品质，使设备一直处于安全、稳定、可靠的状态。参考文献1 Ho W K, Hang C C, Cao L S. Tuning of PID controllers based on gainand phase margin specificationsJ. Automatica, 1995,31:497-502.2Nishikawa Y. A method for auto|tuning of PID control parametersJ. Automatic