基于UMAC運(yùn)動控制器的PID參數(shù)調(diào)節(jié)
5.3基于UMAC運(yùn)動控制器的PID參數(shù)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)PID各參數(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)在高速運(yùn)行的條件下,，能夠快速的做出響 應(yīng)且不超調(diào),；機(jī)床在速度低的情況下，不產(chǎn)生“爬行“現(xiàn)象,。PID參數(shù)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(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，通過大量的理論計算確定各參數(shù),，計算得到的數(shù)據(jù)還必須 通過進(jìn)行實驗并加以修改,，而試湊法可以根據(jù)工程經(jīng)驗,，直接在控制系統(tǒng)上進(jìn)行 實驗，通過觀察響應(yīng)曲線,，根據(jù)算法控制原理不斷的調(diào)整PID參數(shù),，直到得到理 想運(yùn)動的控制參數(shù)值。對于系統(tǒng)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(diào)節(jié)PID參數(shù)值,。UMAC提供了一種調(diào)節(jié)PID 的軟件Pmac Tuning Pro,該軟件通過運(yùn)行簡單的運(yùn)動命令,，收集響應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制 曲線,，為調(diào)整PID反饋參數(shù)提供依據(jù),。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(tǒng)的穩(wěn)定性。一般情況下,，位置階躍 信號和拋物線速度信號在系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)時經(jīng)常被使用,。5.3.1 UMAC中PID反饋參數(shù)調(diào)節(jié)對于伺服系統(tǒng)中PID反饋調(diào)節(jié)，課題中選用試湊法,，選擇了階躍信號（Position Step)調(diào)節(jié)Kp,、Ki，Kd,。由于速度和加速度前饋對系統(tǒng)的階躍響應(yīng)無影響,，因此 在階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時，令Kvff=0, Kaff=0[28],。系統(tǒng)的動態(tài)性能的好壞可以反映在控 制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上,，而評定系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能的指標(biāo)有超調(diào)量(Over shoot)、 上升時間(Rise time)和穩(wěn)態(tài)時間(Settling time)[55],。響應(yīng)曲線接近理想曲線,，而且上 升時間和穩(wěn)態(tài)時間盡可能短，******超調(diào)量盡可能的小是調(diào)試人員的調(diào)試目標(biāo),。Pmac Tumng Pro軟件提供了兩種調(diào)節(jié)方式手動和自動調(diào)整,。自動調(diào)整適合剛 性好的系統(tǒng)，如電機(jī)和負(fù)載采用剛性連接。若在系統(tǒng)剛性不是很好的情況下,，進(jìn)行自動整定會產(chǎn)生由于電機(jī)劇烈震蕩所引發(fā)的危險,，所以PID調(diào)節(jié)常采用的方法 是手動調(diào)節(jié),，其調(diào)節(jié)步驟如下：1.首先檢查PEWIN執(zhí)行軟件與UMAC是否建立通訊,、伺服系統(tǒng)是否已連接 正常及電機(jī)的控制方式。由于課題的精工系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制,，通過 PEWIN32PRO輸入在線命令“#xxJ/”,，保證各電機(jī)處于閉環(huán)狀態(tài)下。也可以使用 在線命令#n?查詢電機(jī)的狀態(tài),，若返回字為812xxxx則表示電機(jī)處于閉環(huán)狀態(tài),； 若返回字為85XXXX則表示電機(jī)處于開環(huán)狀態(tài)[4()]。2.雙擊選擇Pmac Tuning Pro,選擇電機(jī)號,，以#3為例進(jìn)行調(diào)節(jié),，選擇INTER 進(jìn)入手動調(diào)整界面，調(diào)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(shè)置 Ixx31=0，Ixx33=0,，IM=1,，前饋控制參數(shù) Ixx32=0，Ixx35=0,。此時 PID 反饋控制為純比例控制,，設(shè)定比例增益（Ixx30)的值從系統(tǒng)默認(rèn)值（2000)逐漸增大。當(dāng) Ixx30=4000時階躍響應(yīng)曲線如圖5.5所示,，從圖中可以看出系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍,。繼續(xù)加 大Ixx30的值，從階躍響應(yīng)曲線的變化可以看出比例增益可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速 度,，使得響應(yīng)曲線越來越接近階躍曲線,，但超調(diào)量逐漸增大。當(dāng)Ixx30=40000時階 躍響應(yīng)曲線如圖5.6所示,，在圖中可以看出超調(diào)量比較大,，而且出現(xiàn)了震蕩現(xiàn)象， 此時系統(tǒng)穩(wěn)定性不好,。對于這種情況應(yīng)減小Ixx30的值或增大Ixx31的值,，用于減小超調(diào)量和減輕系統(tǒng)的震蕩。在調(diào)節(jié)中,，選擇了保持3.在保持不改變其他參數(shù)的情況下,，增加微分增益（Ixx31)，在調(diào)整過程中， 從響應(yīng)曲線可以看出Ixx31逐漸增大,，超調(diào)量逐漸減小,，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。在階 躍響應(yīng)曲線圖5.7中可以看出,，超調(diào)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(shù)也不改變的情況 下,，調(diào)整積分增益Ixx33，當(dāng)Ixx33=200時響應(yīng)曲線與階躍信號重合,，圖5.8為理 想階躍響應(yīng)曲線,，此時曲線上升時間為0.020s，峰值時間為0.040s,，超調(diào)量為0.0%,， 阻尼為1.0。5.3.2控制系統(tǒng)速度/加速度前饋參數(shù)整定在伺服系統(tǒng)調(diào)試中,，常采用拋物線速度信號來調(diào)整系統(tǒng)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(yīng)Ixx32和Ixx35，首先調(diào)整速度增益Ixx32,設(shè)Ixx35=0,其它增益參數(shù)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(yīng)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(dāng)Ixx32=5500時,，拋 物線曲線如圖5.10所示,，此時的速度反饋偏大，應(yīng)小幅度減小Ixx32的值,，當(dāng) Ixx32=4700時跟隨誤差最小,，如圖5.11拋物線響應(yīng)曲線（速度前饋******值）所示。速度前饋Ixx32調(diào)試穩(wěn)定后,，Ixx32和其他參數(shù)同樣保持不變,，增大加速度前饋Ixx35,觀察拋物線響應(yīng)，由于Ixx35對跟隨誤差的影響效果不大，所以應(yīng)以1000為單位增加Ixx35,。當(dāng)跟隨誤差分布在零線附近時,，跟隨誤差值最小，穩(wěn)定性好,。通過不斷的調(diào)整,，在Ixx35=20000處達(dá)到理想的拋物線速度曲線如圖5.12所示。若系統(tǒng)存在諧振,，可調(diào)節(jié)NOTCH濾波器,，減小諧振現(xiàn)象,。其調(diào)節(jié)過程：找出系統(tǒng)的共振頻率,，設(shè)定帶阻和帶通濾波器的自然頻率和阻尼系數(shù)，通過NotchHlterCalculator窗口可計算其對應(yīng)Nl,、N2,、Dl、D2的值,，其計算窗口如圖5.13所示,。濾波器中各參數(shù)之間相互聯(lián)系，通過計算得到的參數(shù),，需要進(jìn)行微調(diào),，以達(dá)到******的控制性能，滿足加工需求,。5.4本章小結(jié)本章首先介紹了 PID控制原理,，各參數(shù)的作用。然后介紹了系統(tǒng)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(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析,， 根據(jù)控制原理在實驗臺上對系統(tǒng)的PID各參數(shù)進(jìn)行了整定。在調(diào)節(jié)過程采用階躍 信號調(diào)節(jié)PID反饋參數(shù),，使用拋物線速度控制信號調(diào)整速度前饋和加速度前饋控 制參數(shù),，通過手動試湊法進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得了理想的響應(yīng)曲線,。