4.1 PID調試
基于PMAC的運動控制卡的運動控制系統是一個全數字的伺服系統,這樣的系統可以 滿足高精度和高速度的要求。閉環伺服系統由位置環和速度環組成[4°]。位置環包括位置控 制模塊、位置檢測和反饋裝置;速度環包括伺服電動機、伺服電機驅動裝置、速度測量和 反饋裝置[4()]。
1.PMAC的PID控制
PID (proportional gain 、integral gain、derivative gain)控制算法是一種在工業自動
化領域起到重要作用的經典控制算法,非常好的自動控制理論里面的最為基礎的。PMAC 運動控制器中給用戶和開發者提供了 “PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波”的控制環算 法[41]。典型PMAC內部PID +陷波濾波器算法原理圖如圖4-1所示,表4-1表示PMAC 的PID控制算法相關參數[42]。
其中 Kp: Proportional Gain (1x30 比例增益);Kd: Derivative Gain (1x31 微分增益);
Kvff: Vel Feedforward Gain(Ix32 速度前饋);Ki: Integral Gain(Ix33 積分增益);IM: Integration
Mode (Ix34 積分模式);Kaff:Acceleration Feedforward Gain(Ix35 加速度前饋)。
表4-1 PM AC的pro控制算法參數
|
變量 |
參數 |
作用 |
數值影響 |
|
1x30 |
p參數,比例增益 |
提供系統所需的剛度 |
數值越大,系統剛性越好,但太大會 產生振蕩。太小系統會反應延遲。 |
|
1x33 |
I參數,積分增益 |
用于消除穩態誤差 |
與1x63時間積分誤差有關:如果輸出 飽滿,1x33無效 |
|
1x31 |
D參數,微分增 姐 |
用于提供足夠的阻尼來保證系 統穩定 |
數值越大,阻尼越大,系統越穩定 |
|
1x32 |
速度前饋 |
減小由于微分增益所引起的跟 |
對電流環,1x32應等于或略大于1x31。 |
|
隨誤差 |
對速度環,1x32應遠大于1x31 |
||
|
1x35 |
加速度前饋 |
減小由于系統慣性所帶來的跟 隨誤差 |
反應滯后特別明顯時,增加1x35 |
|
1x68 |
摩擦增益 |
減小由于摩擦產生的跟隨誤 差, |
該變量正比于要求速度的符號,速度 為正,1x68被加進輸出,速度為負, 1x68從輸出中減去。 |
|
1x34 |
積分模式 |
決定積分增益是全程有效還是 |
1x34=0積分增益全程有效1x34= 1積 |
|
只在控制速度為0時才有效 |
分增益只有在控制速度為0時有效 |
2. PMAC的PID調節
利用PMAC提供的PmacTuningPro軟件對伺服電機進行PID參數整定調節。 PMACTuningPro提供了 PID自動整定功能AutoTuning,但在有負載的情況下,自整定并
不一定能夠達到最理想的狀態,仍需要手動整定伺服環參數。圖4-2為PID參數集成整定
對話框。
PID參數可以由計算或者實驗的方法得到,理論計算的方法有一定的缺陷,所以很多 時候還是要利用實驗的方法進行現場整定。最常用的兩種信號源是階躍位置信號和拋物線 速度信號,階躍響應主要是調節系統的PID參數,而拋物線響應主要是調節系統的動態特 性,包括速度前饋和加速度前饋,通過多次試驗,取其最佳值[43]。
以1號電機為例,將其PID參數設置為0,階躍響應曲線整定曲線如圖4-3所示:a)、 b)比例增益Kp從200開始逐漸增加,響應時間(Rise Time)明顯縮短,當Kp增大到一定 程度時,響應時間又會延長并且出現震蕩,取響應時間最短時的值作為Kp的值。此時, 電機有一定的超調(OverShoot)現象,我們加入Kd=2Kp,超調變為0,響應時間延長, 逐漸減小Kd的值,直到響應時間達到b)中的值,如c)所示,已經比較接近理想值。再 給予Ki 一個較小值時,超調由0.6%降為0.1%,如d)所示,此時響應時間達到最小,帶 寬(Natural Freq)最大,超調接近于0,達到系統的理想狀態。
拋物線信號響應曲線整定見圖4-5,圖a)中Kvff為零時,伴隨誤差(圖中藍色線)約 為300cts,伴隨誤差線與指令速度線同相同位。加入速度前饋,令Kvff=10000,可以發現, 此時伴隨誤差線反向,如圖b)。需取其中間值,使伴隨誤差位于0附近,如圖c)所示, 此時伴隨誤差主要是由系統慣性帶來,最大誤差集中發生拋物線加速度最大處,逐漸加入 Kaff可以減小這類誤差[44]。由于系統存在摩擦,還需要加入適當的摩擦前饋,但摩擦前饋
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