4.1 PID调试
基于PMAC的运动控制卡的运动控制系统是一个全数字的伺服系统,这样的系统可以 满足高精度和高速度的要求。闭环伺服系统由位置环和速度环组成[4°]。位置环包括位置控 制模块、位置检测和反馈装置;速度环包括伺服电动机、伺服电机驱动装置、速度测量和 反馈装置[4()]。
1.PMAC的PID控制
PID (proportional gain 、integral gain、derivative gain)控制算法是一种在工业自动
化领域起到重要作用的经典控制算法,非常好的自动控制理论里面的最为基础的。PMAC 运动控制器中给用户和开发者提供了 “PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波”的控制环算 法[41]。典型PMAC内部PID +陷波滤波器算法原理图如图4-1所示,表4-1表示PMAC 的PID控制算法相关参数[42]。
其中 Kp: Proportional Gain (1x30 比例增益);Kd: Derivative Gain (1x31 微分增益);
Kvff: Vel Feedforward Gain(Ix32 速度前馈);Ki: Integral Gain(Ix33 积分增益);IM: Integration
Mode (Ix34 积分模式);Kaff:Acceleration Feedforward Gain(Ix35 加速度前馈)。
表4-1 PM AC的pro控制算法参数
变量 |
参数 |
作用 |
数值影响 |
1x30 |
p参数,比例增益 |
提供系统所需的刚度 |
数值越大,系统刚性越好,但太大会 产生振荡。太小系统会反应延迟。 |
1x33 |
I参数,积分增益 |
用于消除稳态误差 |
与1x63时间积分误差有关:如果输出 饱满,1x33无效 |
1x31 |
D参数,微分增 姐 |
用于提供足够的阻尼来保证系 统稳定 |
数值越大,阻尼越大,系统越稳定 |
1x32 |
速度前馈 |
减小由于微分增益所引起的跟 |
对电流环,1x32应等于或略大于1x31。 |
随误差 |
对速度环,1x32应远大于1x31 |
||
1x35 |
加速度前馈 |
减小由于系统惯性所带来的跟 随误差 |
反应滞后特别明显时,增加1x35 |
1x68 |
摩擦增益 |
减小由于摩擦产生的跟随误 差, |
该变量正比于要求速度的符号,速度 为正,1x68被加进输出,速度为负, 1x68从输出中减去。 |
1x34 |
积分模式 |
决定积分增益是全程有效还是 |
1x34=0积分增益全程有效1x34= 1积 |
只在控制速度为0时才有效 |
分增益只有在控制速度为0时有效 |
2. PMAC的PID调节
利用PMAC提供的PmacTuningPro软件对伺服电机进行PID参数整定调节。 PMACTuningPro提供了 PID自动整定功能AutoTuning,但在有负载的情况下,自整定并
不一定能够达到最理想的状态,仍需要手动整定伺服环参数。图4-2为PID参数集成整定
对话框。
PID参数可以由计算或者实验的方法得到,理论计算的方法有一定的缺陷,所以很多 时候还是要利用实验的方法进行现场整定。最常用的两种信号源是阶跃位置信号和抛物线 速度信号,阶跃响应主要是调节系统的PID参数,而抛物线响应主要是调节系统的动态特 性,包括速度前馈和加速度前馈,通过多次试验,取其最佳值[43]。
以1号电机为例,将其PID参数设置为0,阶跃响应曲线整定曲线如图4-3所示:a)、 b)比例增益Kp从200开始逐渐增加,响应时间(Rise Time)明显缩短,当Kp增大到一定 程度时,响应时间又会延长并且出现震荡,取响应时间最短时的值作为Kp的值。此时, 电机有一定的超调(OverShoot)现象,我们加入Kd=2Kp,超调变为0,响应时间延长, 逐渐减小Kd的值,直到响应时间达到b)中的值,如c)所示,已经比较接近理想值。再 给予Ki 一个较小值时,超调由0.6%降为0.1%,如d)所示,此时响应时间达到最小,带 宽(Natural Freq)最大,超调接近于0,达到系统的理想状态。
抛物线信号响应曲线整定见图4-5,图a)中Kvff为零时,伴随误差(图中蓝色线)约 为300cts,伴随误差线与指令速度线同相同位。加入速度前馈,令Kvff=10000,可以发现, 此时伴随误差线反向,如图b)。需取其中间值,使伴随误差位于0附近,如图c)所示, 此时伴随误差主要是由系统惯性带来,最大误差集中发生抛物线加速度最大处,逐渐加入 Kaff可以减小这类误差[44]。由于系统存在摩擦,还需要加入适当的摩擦前馈,但摩擦前馈
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