基于積分分離PID控制的交流伺服系統(tǒng)

1 引言

    交流電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于維護的優(yōu)點逐漸成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。其中交流伺服系統(tǒng)在機器人與操作機械手的關(guān)節(jié)驅(qū)動以及精密數(shù)控機床等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。交流伺服系統(tǒng)由交流電動機組成，交流電動機的數(shù)字模型不是簡單的線性模型，而具有非線性、時變、耦合等特點，用傳統(tǒng)的基于對象模型的控制方法難以進行有效的控制。對于交流伺服系統(tǒng)的性能，一方面要求快速跟蹤性能好，即要求系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)快，跟蹤誤差小，過渡時間短，且無超調(diào)或超調(diào)小，振蕩次數(shù)少。另一方面，要求穩(wěn)態(tài)精度高，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，定位精度高。在交流伺服控制中，常規(guī)控制方法普遍是以PID控制為基礎(chǔ)，然而單純的PID控制存在超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長，控制效率低等缺點，而且其參數(shù)的選取比較困難。在普通的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，即當系統(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=2.2 kW，Un=220 V，In=5 A，nn=1 440 r/min，r1=2.91 Ω，r2=3.04 Ω，Is=0.456 94 H，Ir=0.456 94 H，Im=O.444 27 H，Ten=14 N 。
  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。