基于UMAC運(yùn)動(dòng)控制器的PID參數(shù)調(diào)節(jié)
5.3基于UMAC運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)算法和試湊法[28]。理論計(jì)算法主要是 根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)大量的理論計(jì)算確定各參數(shù)，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)還必須 通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并加以修改，而試湊法可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)上進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(dòng)的控制參數(shù)值。對(duì)于系統(tǒng)模型不容易建立的情況，試湊法相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)運(yùn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)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(hào)源，包括階躍信號(hào)， 拋物線信號(hào)等，用戶還可以自定義信號(hào)。在這幾種信號(hào)中階躍信號(hào)是最差的激勵(lì) 信號(hào)，拋物線信號(hào)會(huì)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(hào)和拋物線速度信號(hào)在系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)經(jīng)常被使用。5.3.1 UMAC中PID反饋參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)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(hào)（Position Step)調(diào)節(jié)Kp、Ki，Kd。由于速度和加速度前饋對(duì)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)無(wú)影響，因此 在階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)，令Kvff=0, Kaff=0[28]。系統(tǒng)的動(dòng)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(píng)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(shí)間(Rise time)和穩(wěn)態(tài)時(shí)間(Settling time)[55]。響應(yīng)曲線接近理想曲線，而且上 升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dòng)和自動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)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(dòng)整定會(huì)產(chǎn)生由于電機(jī)劇烈震蕩所引發(fā)的危險(xiǎn)，所以PID調(diào)節(jié)常采用的方法 是手動(dòng)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(guò) 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(hào)，以#3為例進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇INTER 進(jìn)入手動(dòng)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(hào)（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(shí) 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(shí)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(lái)越接近階躍曲線，但超調(diào)量逐漸增大。當(dāng)Ixx30=40000時(shí)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(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性不好。對(duì)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(guò)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(shí)響應(yīng)曲線與階躍信號(hào)重合，圖5.8為理 想階躍響應(yīng)曲線，此時(shí)曲線上升時(shí)間為0.020s，峰值時(shí)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(hào)來(lái)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(duì)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(hào)（Parabolic Velocity)，點(diǎn)擊Do Aparabolic Move。在 Ixx32=0，Ixx35=0時(shí)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(shí)，拋 物線曲線如圖5.10所示，此時(shí)的速度反饋偏大，應(yīng)小幅度減小Ixx32的值，當(dāng) Ixx32=4700時(shí)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(duì)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(shí)，跟隨誤差值最小，穩(wěn)定性好。通過(guò)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(guò)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(guò)NotchHlterCalculator窗口可計(jì)算其對(duì)應(yīng)Nl、N2、Dl、D2的值，其計(jì)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(guò)計(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)的PID各參數(shù)進(jìn)行了整定。在調(diào)節(jié)過(guò)程采用階躍 信號(hào)調(diào)節(jié)PID反饋參數(shù)，使用拋物線速度控制信號(hào)調(diào)整速度前饋和加速度前饋控 制參數(shù)，通過(guò)手動(dòng)試湊法進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得了理想的響應(yīng)曲線。