摘要：本文采用一種位置式PID控制器,并將此應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的控制中,設(shè)計了一種高精度的伺服控制系統(tǒng)，該控制器具有較完善的控制性能。仿真實驗的結(jié)果表明,采用該位置式PID控制的系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)ID控制器的弊端。通過調(diào)整PID控制參數(shù)，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，超調(diào)小，較高的穩(wěn)定精度,魯棒性好，控制效果明顯。

關(guān)鍵詞：交流伺服；位置式PID； PID

80年代初，開始了交流伺服電機為執(zhí)行元件的交流伺服控制系統(tǒng)的新時代，在交流伺服控制系統(tǒng)中，先出現(xiàn)了感應(yīng)式交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)，永磁交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，以及磁阻交流電動機等驅(qū)動系統(tǒng)。在上90年代初，又出現(xiàn)了具有直接驅(qū)動能力的各類直線伺服電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)，揭開了交流直線伺服控制系統(tǒng)取代交流旋轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)的序幕，其中以永磁交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展最快。

隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電機磁性材料的不斷發(fā)展，交流伺服控制逐漸成為工廠自動化領(lǐng)域中運動控制的主流[2]。隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、智能控制等[3]。從理論方面分析，許多控制策略都能實現(xiàn)良好的電機動態(tài)、靜態(tài)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識比較麻煩，因此，在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)困難。對于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器而言，位置式PID其最大的優(yōu)點在于算法簡單、參數(shù)易于整定、具有較強的魯棒性，而且適應(yīng)性強、可靠性高，這些特點使位置式PID控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果，而且在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行的工況的適應(yīng)性很差。此外，隨著控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了各種分支，如專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)理論等，它們和傳統(tǒng)的PID控制策略相結(jié)合又派生出各種新型的PID類控制器，[4]很多算法都大大改進(jìn)了傳統(tǒng)PID控制器的性能。

1 交流伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

位置控制系統(tǒng)通常采用半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即以伺服電機軸的角位移作為系統(tǒng)的位置反饋，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。該系統(tǒng)主要包含三部分，圖1為半閉環(huán)交流伺服位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖 1 半閉環(huán)交流伺服位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）交流伺服驅(qū)動器及伺服電機。交流伺服驅(qū)動器速度環(huán)的輸入為位置板的位置誤差信號，按PI控制規(guī)律對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。安裝在電機上的光電編碼器將電機軸的角位移以脈沖的形式反饋至位置板。

（2）控制板。計算機按固定的時間間隔(通常為幾毫秒)產(chǎn)生中斷，訪問位置控制接口板時，在對應(yīng)軸的脈沖緩沖器中寫入下一個周期的位置增量。位置環(huán)的給定位置增量以串行脈沖形式輸入，PID控制器僅將串行脈沖轉(zhuǎn)換為并行，其值與時間因素?zé)o關(guān)，即它不起積分器的作用。位置控制板主要完成位置反饋脈沖信號的各種變換、位置偏差計算與累積、D/A輸出以及定時中斷與累積誤差溢出中斷管理等功能。

（3）傳動機械及工作臺。該部分作為電機的負(fù)載，對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有較大的影響，其中分布了系統(tǒng)的非線性因素。

2 位置PID算法

計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不但能夠用軟件實現(xiàn)PID控制算法，而且由于計算機的邏輯功能，使PID控制更加靈活。因而在機電、冶金等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。通過偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。

PID控制器原來是作為過程控制的補償器而開發(fā)的，由于其簡單易用，現(xiàn)在不僅是過程控制，而且在伺服控制系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用[5]。但是隨著微處理器的廣泛應(yīng)用，通過軟件也可以實現(xiàn)復(fù)雜而且高精度的控制，并且在一些高性能機器中實現(xiàn)了全軟件的伺服控制，而本文中將要提到的方法也是通過軟件技術(shù)來實現(xiàn)[6]。

在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[7]。

計算機控制系統(tǒng)是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量。因此，需要采用離散化方法。在計算機PID控制中，使用的是數(shù)字PID控制器。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t,以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即[8]

在離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。

將error(kT)簡化表示成error(k)，即省去T�？傻秒x散表達(dá)式

在上式中，T為采樣周期，k為采樣序號，k=1,2,…error(k-1)和error(k)分別為第(k-1)和第k時刻的偏差信號。

由Z變換的性質(zhì)

得Z變換式為

由此可得位置式PID控制器的z傳遞函數(shù)為

由于計算機輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，u(k)的值和執(zhí)行機構(gòu)的位置是一一對應(yīng)的，所以通常稱位置式PID控制算法。圖2給出了位置式PID控制系統(tǒng)示意圖。

圖 2 位置式PID控制系統(tǒng)

位置式控制在算法上作了改進(jìn)，具有優(yōu)點：

(1)由于計算機輸出增量，所以誤動作所帶來的影響要小。

(2)切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號鎖存作用，故可以保持原值。

(3)算式中不需要累加。控制增量△u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果[9]。

3 實驗仿真

設(shè)被控對象為一延遲對象：

采樣時間為20s，延遲時間為4個采樣時間，即80s。將被控對象離散化為y(k)=-den(2)y(k-1)+num(2)u(k-5)，對積分分離式PID控制器進(jìn)行階躍響應(yīng)，采用分段積分分離式，即根據(jù)誤差絕對值的不同采用不同的積分強度，仿真中指令信號為r(k)=40，控制器輸出限制在[-100, 100]，采用位置式PID控制器，其階躍響應(yīng)見圖3[10]。

圖 3 位置式PID控制器的階躍響應(yīng)

4　結(jié)論

本文在交流伺服位置控制系統(tǒng)中采用了位置式PID控制，該控制具有響應(yīng)速度快、跟蹤誤差小等優(yōu)點。仿真結(jié)果表明，對于交流伺服位置控制系統(tǒng)而言，采用位置式PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，只要參數(shù)整定適當(dāng)，就能夠提高控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能和魯棒性，可以在很多場合達(dá)到較高精度位置控制的要求。