2017年5月23日

基于UMAC運動控制器的PID參數調節

5.3基于UMAC運動控制器的PID參數調節準確的調節PID各參數可實現系統在高速運行的條件下，能夠快速的做出響應且不超調；機床在速度低的情況下，不產生“爬行“現象。PID參數整定主要有兩種方法：理論計算法和試湊法[28]。理論計算法主要是根據建立的數學模型，通過大量的理論計算確定各參數，計算得到的數據還必須通過進行實驗并加以修改，而試湊法可以根據工程經驗，直接在控制系統上進行實驗，通過觀察響應曲線，根據算法控制原理不斷的調整PID參數，直到得到理想運動的控制參數值。對于系統模型不容易建立的情況，試湊法相對簡單，易于掌握，因此工程常采用第二種方法調節PID參數值。UMAC提供了一種調節PID 的軟件Pmac Tuning Pro,該軟件通過運行簡單的運動命令，收集響應數據，繪制曲線，為調整PID反饋參數提供依據。該軟件提供了 7種信號源，包括階躍信號，拋物線信號等，用戶還可以自定義信號。在這幾種信號中階躍信號是最差的激勵信號，拋物線信號會引起跟隨誤差，影響系統的穩定性。一般情況下，位置階躍信號和拋物線速度信號在系統進行動態調節時經常被使用。5.3.1 UMAC中PID反饋參數調節對于伺服系統中PID反饋調節，課題中選用試湊法，選擇了階躍信號（Position Step)調節Kp、Ki，Kd。由于速度和加速度前饋對系統的階躍響應無影響，因此在階躍響應調節時，令Kvff=0, Kaff=0[28]。系統的動態性能的好壞可以反映在控制系統階躍響應曲線上，而評定系統階躍響應性能的指標有超調量(Over shoot)、上升時間(Rise time)和穩態時間(Settling time)[55]。響應曲線接近理想曲線，而且上升時間和穩態時間盡可能短，最大超調量盡可能的小是調試人員的調試目標。Pmac Tumng Pro軟件提供了兩種調節方式手動和自動調整。自動調整適合剛性好的系統，如電機和負載采用剛性連接。若在系統剛性不是很好的情況下，進行自動整定會產生由于電機劇烈震蕩所引發的危險，所以PID調節常采用的方法是手動調節，其調節步驟如下：1.首先檢查PEWIN執行軟件與UMAC是否建立通訊、伺服系統是否已連接正常及電機的控制方式。由于課題的精工系統采用的是閉環控制，通過 PEWIN32PRO輸入在線命令“#xxJ/”，保證各電機處于閉環狀態下。也可以使用在線命令#n?查詢電機的狀態，若返回字為812xxxx則表示電機處于閉環狀態；若返回字為85XXXX則表示電機處于開環狀態[4()]。2.雙擊選擇Pmac Tuning Pro,選擇電機號，以#3為例進行調節，選擇INTER 進入手動調整界面，調整界面如圖5.4所示。在界面中“Trajectory Selection”欄中選擇階躍信號（Position Step)，并設置 Ixx31=0，Ixx33=0，IM=1，前饋控制參數 Ixx32=0，Ixx35=0。此時 PID 反饋控制為純比例控制，設定比例增益（Ixx30)的值從系統默認值（2000)逐漸增大。當 Ixx30=4000時階躍響應曲線如圖5.5所示，從圖中可以看出系統反應遲鈍。繼續加大Ixx30的值，從階躍響應曲線的變化可以看出比例增益可以提高系統的響應速度，使得響應曲線越來越接近階躍曲線，但超調量逐漸增大。當Ixx30=40000時階躍響應曲線如圖5.6所示，在圖中可以看出超調量比較大，而且出現了震蕩現象，此時系統穩定性不好。對于這種情況應減小Ixx30的值或增大Ixx31的值，用于減小超調量和減輕系統的震蕩。在調節中，選擇了保持3.在保持不改變其他參數的情況下，增加微分增益（Ixx31)，在調整過程中，從響應曲線可以看出Ixx31逐漸增大，超調量逐漸減小，系統的穩定性提高。在階躍響應曲線圖5.7中可以看出，超調量為0.0%,，震蕩消失。4.在保持比例增益Ixx30和微分增益Ixx31不變，其他參數也不改變的情況下，調整積分增益Ixx33，當Ixx33=200時響應曲線與階躍信號重合，圖5.8為理想階躍響應曲線，此時曲線上升時間為0.020s，峰值時間為0.040s，超調量為0.0%，阻尼為1.0。5.3.2控制系統速度/加速度前饋參數整定在伺服系統調試中，常采用拋物線速度信號來調整系統的速度和加速度前饋增益。引入合適的前饋增益可以減小或消除跟隨誤差，反之，則增大跟隨誤差。在UMAC中速度增益和加速度增益分別對應Ixx32和Ixx35，首先調整速度增益Ixx32,設Ixx35=0,其它增益參數保持不變。在圖5.4中的“Trajectory Selection” 欄中選擇拋物線速度信號（Parabolic Velocity)，點擊Do Aparabolic Move。在 Ixx32=0，Ixx35=0時拋物線響應曲線如圖5.9，從圖中可以看出其跟隨誤差很大，圖中綠色曲線代表跟隨誤差。逐漸增大Ixx32的值，跟隨誤差逐漸減小再逐漸增大，當Ixx32=5500時，拋物線曲線如圖5.10所示，此時的速度反饋偏大，應小幅度減小Ixx32的值，當 Ixx32=4700時跟隨誤差最小，如圖5.11拋物線響應曲線（速度前饋最佳值）所示。速度前饋Ixx32調試穩定后，Ixx32和其他參數同樣保持不變，增大加速度前饋Ixx35,觀察拋物線響應，由于Ixx35對跟隨誤差的影響效果不大，所以應以1000為單位增加Ixx35。當跟隨誤差分布在零線附近時，跟隨誤差值最小，穩定性好。通過不斷的調整，在Ixx35=20000處達到理想的拋物線速度曲線如圖5.12所示。若系統存在諧振，可調節NOTCH濾波器，減小諧振現象。其調節過程：找出系統的共振頻率，設定帶阻和帶通濾波器的自然頻率和阻尼系數，通過NotchHlterCalculator窗口可計算其對應Nl、N2、Dl、D2的值，其計算窗口如圖5.13所示。濾波器中各參數之間相互聯系，通過計算得到的參數，需要進行微調，以達到最佳的控制性能，滿足加工需求。5.4本章小結本章首先介紹了 PID控制原理，各參數的作用。然后介紹了系統中UMAC提供的“反饋+前饋+陷波濾波器“控制算法，對其控制原理及相關參數進行了分析，根據控制原理在實驗臺上對系統的PID各參數進行了整定。在調節過程采用階躍信號調節PID反饋參數，使用拋物線速度控制信號調整速度前饋和加速度前饋控制參數，通過手動試湊法進行調節，獲得了理想的響應曲線。

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