摘 要：交流伺服系統(tǒng)在制造業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，分析了位置伺服系統(tǒng)的組成，主要介紹了數(shù)字位置環(huán)的PID器改進控制算法以及參數(shù)整定方法。實際應(yīng)用表明：選擇合理的PID參數(shù)能夠滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、速度精度高、魯棒性強的要求。 關(guān)鍵詞：交流伺服控制；控制算法；PID調(diào)節(jié) 交流伺服系統(tǒng)在制造業(yè)控制中得到了更加廣泛的應(yīng)用，對控制的要求體現(xiàn)在響應(yīng)速度快、速度精度高、調(diào)速范圍寬、加減速性能好。隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電機磁性材料的不斷發(fā)展，交流伺服控制逐漸成為工廠自動化領(lǐng)域中運動控制的主流〔1〕，有關(guān)各種新型控制算法不斷涌現(xiàn)，如自適應(yīng)控制、磁場定向控制及直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等。但是，傳統(tǒng)的PID控制方法以其實現(xiàn)的方便可靠性仍是其它控制算法的基礎(chǔ)。 一、系統(tǒng)組成原理 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 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，主控微機計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。 二、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〔2〕。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(fù)雜性，而且對系統(tǒng)進行模型辨識比較麻煩，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〔3〕，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(fù)雜，用PID調(diào)節(jié)器更易實現(xiàn)預(yù)期效果。 1、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)，甚至振蕩，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值時，再恢復(fù)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，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快響應(yīng)；當|e（k）|≤ε時，即偏差值比較小時，采用PID控制，以保證伺服電機位置控制精度。 離散化PID控制算式為： 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： 2、位置環(huán)控制算法流程 圖2所示為控制算法流程圖。 3、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)整定的主要任務(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，使超調(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）〔4〕，通?？烧J為交流伺服系統(tǒng)的模型為一階帶有延遲環(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： [align=center] [/align] 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，對于機電控制系統(tǒng)，要求較短采樣周期，通常為幾十毫秒。 三、結(jié)論 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。