丁鋒（西安交通大學機電工程系） 屈明昌（西安工業學院機電系） 林廷圻（西寧鐵路分局）
摘要：交流伺服系統在製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器改進控制演算法以及引數整定方法。實際應用表明：
選擇合理的pid引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；控制演算法；pid調節
交流伺服系統在製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、調速範圍寬、加減速效能好。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〕，有關各種新型控制演算法不斷湧現，如自適應控制、磁場定向控制及直接轉矩控制、智慧型控制等。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演算法的基礎。
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、感測檢測。主控微機與控制卡相連，可以通過資料線傳送位置或速度命令，設定pid調節引數，並進行數模（d/a）轉換，該模擬訊號經過交流伺服放大器放大後驅動伺服電動機。電機軸端裝有增量式光電碼盤，通過光電碼盤提供反饋訊號（a、b、in脈衝）來完成位置伺服系統的位置反饋，組成乙個半閉環系統。
一般將光電碼盤裝在電機非負載軸的軸端上，便於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。位置反饋環中感測元件—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相差分脈衝形式長線傳輸到現場控制站（pc機）中進行編碼器脈衝計數，以獲得數位化位置資訊，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差後，根據偏差範圍採取相應的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，並輸出給伺服放大器，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，儘管隨著現代交流調速技術的發展，出現了各種新型控制演算法，如自適應控制、專家系統、智慧型控制等〔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，但是由於演算法本身的複雜性，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，對於傳統的pid調節器而言，其最大的優點在於演算法簡單，引數易於整定，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。對於數控系統中的控制物件而言並不複雜，用pid調節器更易實現預期效果。
1、位置環pid控制演算法
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，甚至振盪，這對於伺服電機的執行來說是不利的。為減小電機在執行過程中積分校正對控制系統動態效能的影響，採用積分分離pid控制正當其時，當電機的實階位置與期望位置的誤差小於一定位值時，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控制演算法需設定積分分離閥ε，當|e(k)|＞ε時，即偏差值較大時，採用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，採用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為取樣序號，k=0，1，2…；kp、ki、kd分別表示比例、積分、微分係數。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、位置環控制演算法流程
圖2所示為控制演算法流程圖。
3、控制系統引數的整定
主控微機向控制卡傳送pid引數，看給定的引數是否符合控制系統的要求，該過程需用引數整定實現。引數整定的主要任務是確定kp、ki、kd及取樣週期t，比例係數kp增大，使伺服驅動系統的動作靈敏、響應加快，而過大會引起振盪，調節時間加長；積分係數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，以及歸一引數整定方法。
這幾種方法源於使用齊格勒-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（帶滯後的一階環節）：
式中的一階響應特徵引數k、l和t可以由圖3所示的s型響應曲線提取出來。求取這些引數對實際系統並不困難，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徵引數。於是可由ziegler-nichols整定規則得到：
數字系統中取樣週期的選擇與系統的穩定性密切相關。一方面要滿足夏農定理，即ωs≥2ωmax，實際系統輸入及反饋的最大頻率ωmax難以測定，另一方面取樣週期並沒有乙個精確的計算公式，只能根據工程應用按經驗規則選取，對於機電控制系統，要求較短取樣週期，通常為幾十毫秒。
三、結論
對於交流位置伺服控制系統而言，採用基於pc機的開發平台，用常規的pid調節器進行控制，只要引數整定適當，加之系統的機械精度（運動軸、齒輪、電機絲槓傳動化）控制在一定誤差範圍內，電氣控制精度（編碼器脈衝）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。
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