基于積分分離PID控制的交流伺服系統(tǒng)

　　1 引言

　　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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)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。