摘 要：交流伺服系統在制造業控制領域得到廣泛應用，分析了位置伺服系統的組成，主要介紹了數字位置環的PID器改進控制算法以及參數整定方法。實際應用表明：選擇合理的PID參數能夠滿足控制系統響應速度快、速度精度高、魯棒性強的要求。 關鍵詞：交流伺服控制；控制算法；PID調節 交流伺服系統在制造業控制中得到了更加廣泛的應用，對控制的要求體現在響應速度快、速度精度高、調速范圍寬、加減速性能好。隨著計算機技術、電子技術、電機磁性材料的不斷發展，交流伺服控制逐漸成為工廠自動化領域中運動控制的主流〔1〕，有關各種新型控制算法不斷涌現，如自適應控制、磁場定向控制及直接轉矩控制、智能控制等。但是，傳統的PID控制方法以其實現的方便可靠性仍是其它控制算法的基礎。 一、系統組成原理 系統的整體結構如圖1所示。 該系統由四部分組成，即微機、伺服控制卡、交流伺服調速系統、傳感檢測。主控微機與控制卡相連，可以通過數據線發送位置或速度命令，設定PID調節參數，并進行數模（D/A）轉換，該模擬信號經過交流伺服放大器放大后驅動伺服電動機。電機軸端裝有增量式光電碼盤，通過光電碼盤提供反饋信號（A、B、IN脈沖）來完成位置伺服系統的位置反饋，組成一個半閉環系統。一般將光電碼盤裝在電機非負載軸的軸端上，便于安裝和避免機械部件振動和變形對位置控制系統產生不利影響。位置反饋環中傳感元件—增量式光電編碼器將運動構件實時的位移（或轉角）變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸到現場控制站（PC機）中進行編碼器脈沖計數，以獲得數字化位置信息，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據偏差范圍采取相應的PID控制策略，將數字控制作用經數模轉換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調節電機運動，完成期望值的定位。 二、伺服控制方法 工業控制中常用的方法是PID調節器，盡管隨著現代交流調速技術的發展，出現了各種新型控制算法，如自適應控制、專家系統、智能控制等〔2〕。從理論分析，許多控制策略都能實現良好的電機動靜態特性，但是由于算法本身的復雜性，而且對系統進行模型辨識比較麻煩，因此，在實際系統中實現時困難，對于傳統的PID調節器而言，其最大的優點在于算法簡單，參數易于整定，具有較強的魯棒性〔3〕，而且適應性強，可靠性高，這些特點使PID控制器在工業控制領域得到廣泛的應用。對于數控系統中的控制對象而言并不復雜，用PID調節器更易實現預期效果。 1、位置環PID控制算法 在數字PID調節控制系統中，引入積分環節的目的是為了消除靜差，提高精度，但在過程的開始、結束或大幅增加設定值時，會產生積分積累，引起系統較大的超調，甚至振蕩，這對于伺服電機的運行來說是不利的。為減小電機在運行過程中積分校正對控制系統動態性能的影響，采用積分分離PID控制正當其時，當電機的實階位置與期望位置的誤差小于一定位值時，再恢復積分校正環節，以便消除系統的穩態誤差。 積分分離PID控制算法需設定積分分離閥ε，當|e（k）|＞ε時，即偏差值較大時，采用PD控制，減少超調量，使系統有較快響應；當|e（k）|≤ε時，即偏差值比較小時，采用PID控制，以保證伺服電機位置控制精度。 離散化PID控制算式為： 其中，k為采樣序號，k=0，1，2…；Kp、Ki、Kd分別表示比例、積分、微分系數。在實際中，若執行機構需要的是控制量的增量，根據遞堆原理可得增量式PID控制算式為： 2、位置環控制算法流程 圖2所示為控制算法流程圖。 3、控制系統參數的整定 主控微機向控制卡發送PID參數，看給定的參數是否符合控制系統的要求，該過程需用參數整定實現。參數整定的主要任務是確定Kp、Ki、Kd及采樣周期T，比例系數Kp增大，使伺服驅動系統的動作靈敏、響應加快，而過大會引起振蕩，調節時間加長；積分系數Ki增大，能消除系統穩態誤差，但穩定性下降；微分控制可以改善動態特性，使超調量減少，調整時間縮短。通常的方法有擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法，以及歸一參數整定方法。這幾種方法源于使用齊格勒-尼柯爾斯（Ziegler-Nichols規則）〔4〕，通常可認為交流伺服系統的模型為一階帶有延遲環節的模型（帶滯后的一階環節）： 式中的一階響應特征參數K、L和T可以由圖3所示的S型響應曲線提取出來。求取這些參數對實際系統并不困難，可以通過對系統進行階躍輸入激勵，得到響應曲線，再根據曲線求出其特征參數。于是可由Ziegler-Nichols整定規則得到： [align=center] [/align] 數字系統中采樣周期的選擇與系統的穩定性密切相關。一方面要滿足香農定理，即ωs≥2ωmax，實際系統輸入及反饋的最大頻率ωmax難以測定，另一方面采樣周期并沒有一個精確的計算公式，只能根據工程應用按經驗規則選取，對于機電控制系統，要求較短采樣周期，通常為幾十毫秒。 三、結論 對于交流位置伺服控制系統而言，采用基于PC機的開發平臺，用常規的PID調節器進行控制，只要參數整定適當，加之系統的機械精度（運動軸、齒輪、電機絲杠傳動化）控制在一定誤差范圍內，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強，可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求。