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[導讀] 系統(tǒng)組成原理該系統(tǒng)由四部分組成,即微機、伺服控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測。主控微機與控制卡相連,可以通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令,設(shè)定pid調(diào)節(jié)參數(shù),并進行數(shù)模(d/a)轉(zhuǎn)換,該模擬信號經(jīng)過交流伺服放大

 系統(tǒng)組成原理

該系統(tǒng)由四部分組成,即微機、伺服控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測。主控微機與控制卡相連,可以通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令,設(shè)定pid調(diào)節(jié)參數(shù),并進行數(shù)模(d/a)轉(zhuǎn)換,該模擬信號經(jīng)過交流伺服放大器放大后驅(qū)動伺服電動機。電機軸端裝有增量式光電碼盤,通過光電碼盤提供反饋信號(a、b、in脈沖)來完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋,組成一個半閉環(huán)系統(tǒng)。一般將光電碼盤裝在電機非負載軸的軸端上,便于安裝和避免機械部件振動和變形對位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。位置反饋環(huán)中傳感元件—增量式光電編碼器將運動構(gòu)件實時的位移(或轉(zhuǎn)角)變化量以a、b相差分脈沖形式長線傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制站(pc機)中進行編碼器脈沖計數(shù),以獲得數(shù)字化位置信息,主控微機機算給定位置與實際位置(即反饋到的位置)的偏差后,根據(jù)偏差范圍采取相應(yīng)的pid控制策略,將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬控制電壓,并輸出給伺服放大器,最終調(diào)節(jié)電機運動,完成期望值的定位。

伺服控制方法

工業(yè)控制中常用的方法是pid調(diào)節(jié)器,盡管隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種新型控制算法,如自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析,許多控制策略都能實現(xiàn)良好的電機動靜態(tài)特性,但是由于算法本身的復雜性,而且對系統(tǒng)進行模擬辨識比較麻煩,因此,在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)時困難,對于傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器而言,其最大的優(yōu)點在于算法簡單,參數(shù)易于整定,具有較強的魯棒性,而且適應(yīng)性強,可靠性高,這些特點使pid控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對象而言并不復雜,用pid調(diào)節(jié)器更易實現(xiàn)預期效果。

位置環(huán)pid控制算法

在數(shù)字pid調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中,引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差,提高精度,但在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時,會產(chǎn)生積分積累,引起系統(tǒng)較大的超調(diào),甚至震蕩,這對于伺服電機的運行來說是不利的。為減小電機在運行過程中積分校正對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,采用積分分離pid控制正當其時,當電機的實階位置與期望位置的誤差小于一定位置時,再恢復積分校正環(huán)節(jié),以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

積分分離pid控制算法需設(shè)定積分分離閥ε,當|e(k)|》ε時,即偏差值較大時,采用pd控制,以保證伺服電機位置控制精度。

離散化pid控制算式是:

其中,k為采樣序號,k=0,1,2…;

kp、ki、kd分別表示比例,積分、微分系數(shù)。在實際中,若執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量,根據(jù)遞堆原理可得增量式pid控制算式為:

控制系統(tǒng)參數(shù)的整定

主控微機向控制卡發(fā)送pid參數(shù),看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求,該過程需用參數(shù)整定實現(xiàn)。參數(shù)整定得主要任務(wù)是確定kp、ki、kd及采樣周期t,比例系數(shù)kp增大,使伺服驅(qū)動系統(tǒng)的動作靈敏,響應(yīng)加快,而過大會引起振蕩,調(diào)節(jié)時間加長;積分系數(shù)ki增大,能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,但穩(wěn)定性下降;微分控制可以改善動態(tài)特性,是超調(diào)量減少,調(diào)整時間縮短。通常的方法有擴充臨界比例度法和擴充響應(yīng)曲線法,以及歸一參數(shù)整定方法。這幾種方法源于使用齊格勒-尼柯爾斯(ziegler-nichols規(guī)則),通常可認為交流伺服系統(tǒng)的模型為一階段有延遲環(huán)節(jié)的模型(帶滯后的一階環(huán)節(jié)):

式中的一階段響應(yīng)特征參數(shù)k、l、和t可以由圖3所示的s型響應(yīng)曲線提取出來。求取這些參數(shù)對實際系統(tǒng)并不困難,可以通過對系統(tǒng)進行階躍輸入激勵,得到響應(yīng)曲線,再根據(jù)曲線求出其特征參數(shù)。于是可由ziegler-nichols整定規(guī)則得到:

數(shù)字系統(tǒng)中采樣周期的選擇與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。一方面要滿足香農(nóng)定理,即ωs≥2ωmax實際系統(tǒng)輸入及反饋的最大頻率ωmax難以測定,另一方面采樣周期并沒有一個精確的計算公式,只能根據(jù)工程應(yīng)用按經(jīng)驗規(guī)則選取,對于電機控制系統(tǒng),要求較短時間采樣周期,通常為幾十毫秒。

對于交流位置伺服控制系統(tǒng)而言,采用基于pc機的開發(fā)平臺,用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器進行控制,只要參數(shù)整定適當,加之系統(tǒng)的機械精度(運動軸、齒輪、電機絲杠傳動化)控制在一定誤差范圍內(nèi),電氣控制精度(編碼器脈沖)就可得到提高,魯棒性強,可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求。

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