数字PID在直流电机控制中的研究与应用

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。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。控制电脑运动控制器电机驱动器电机编码器控制指令运动信号位置电流位置反馈3.PID控制原理控制算法是微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。比例积分微分执行机构被控对象r(t)e(t)u(t)c(t)+++-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：)()()(tctrte（1.1）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，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：图1控制系统结构图图2常规PID控制系统原理框图])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtutDIp（1.2）式中，PK为比例系数，IT为积分时间常数，DT为微分时间常数。模拟PID调节器的传递函数为：)11()()()(STSTKSESUSDDIP（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te,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IT，IT越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（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)(tr、)(te、)(tu、)(tc在第n次采样的数据分别用)(nr、)(ne、)(nu、)(nc表示，于是式（1.1）变为：)()()(ncnrne（1.4）当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，C可以用)1()(nene近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似Tnenedttde)1()()(（1.5）nitTiedtte10)()(（1.6）这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程01})]1()([)()({)(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.7）上式中0u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)(nuP，即)()(neKnuPP（1.8）第二项起积分控制作用，称为积分（I）项)(nuI即niIPPieTTKnu1)()(（1.9）第三项起微分控制作用，称为微分（D）项)(nuD即)]1()([)(neneTTKnuDPD（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：0)()()()(ununununuDIP（1.11）式（1.7）的输出量)(nu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。r(t)e(t)+-PID位置算法u控制器被控对象c(t)4.数字PID参数整定与普通的控制系统一样，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图3数字PID位置型控制示意图框图两种。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：①让调节器参数积分系数0IK,实际微分系数0DK,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数pK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。②取比例系数pK为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数IK，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。③积分系数IK保持不变，改变比例系数pK，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pK增大一些，再调整积分系数IK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pK和积分系数IK为止。④引入适当的实际微分系数DK和实际微分时间DT,此时可适当增大比例系数pK和积分系数IK。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niTie1)(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0E。当0)(ETke时，偏差值较小，采用PID控制，可保证系统的控制精度。当0)(ETke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。（2）带阈值PID控制法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0。当0)(Tke时，输出控制作用；当0)(Tke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4积分分离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]HoWK,HangCC,CaoLS.TuningofPIDcontrollersbasedongainandphasemarginspecifications[J].Automatica,1995,31:497-502.[2]NishikawaY.Amethodforauto|tuningofPIDcontrolparameters[J].Automatica,1984,20:321-332.[3]ZieglerJG,NicholsNB.Optimumsettingsforautomaticcontrollers[J].TransASME,1942,64:759-768.[4]王伟.PID参数先进整定方法综述.自动化学报.2000,26(3):347-356.[5]戴东辉.直线伺服电机的控制.电工技术杂志.2001年第9期:15-17.图5阈值PID控制前后位置偏差