林黃耀
(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,福建莆田351254)
氣動位置伺服控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性,這主要是由于氣體的可壓縮性、閥口復(fù)雜流動特性等因素的影響,因此氣動位置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜,且模型中存在某些未知的參數(shù),很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型,無法使用基于精確數(shù)學(xué)模型的一些控制方法(如自適應(yīng)控制、極點(diǎn)配置方法等).本文采用傳統(tǒng)的PID控制方法對氣動位置控制進(jìn)行了研究,通過調(diào)整比例、積分、微分三個參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制.這種控制算法由于簡單實(shí)用,已被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域,特別是過程控制領(lǐng)域.
常規(guī)位置式PID控制器利用了實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差,將偏差的比例、積分、微分各環(huán)節(jié)通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進(jìn)行控制.其離散形式為
其中,u(k)是第 k次采樣時刻計(jì)算機(jī)的輸出,kp=KP,ki=KPT0/TI,kd=KPTD/T0,ki、kd分別稱為積分系數(shù)和微分系數(shù).
采用(1)的控制規(guī)則,在建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)非線性模型上進(jìn)行仿真,仿真中選取不同的參數(shù)得到位移響應(yīng)曲線如圖1和圖2所示.在圖1中,kp為10,ki為30,kd為3;在圖2中,kp為11,ki為6,kd為3.可以看出,圖1中由于積分常數(shù)取得較大,系統(tǒng)出現(xiàn)了超調(diào)和積分飽和現(xiàn)象,不能穩(wěn)定在目標(biāo)位置附近;圖2中由于積分系數(shù)取得較小,系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn),無超調(diào),但其響應(yīng)速度比較慢.由此可以看出,常規(guī)PID針對本系統(tǒng)還存在著不足,在應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之前要先對其進(jìn)行改進(jìn).
從上面的仿真結(jié)果分析中可知,由于在位置PID控制器中,積分系數(shù)ki在系統(tǒng)工作過程中是常數(shù),在整個控制過程中,積分作用不變.當(dāng)積分作用太強(qiáng)時,會使控制的動態(tài)性能變差以至于造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定.一般在誤差比較大時,若引入積分作用,由于積分的記憶性,則在系統(tǒng)接近目標(biāo)值時,容易使控制量保持很大值,使系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào),不能快速精確地定位.因此,可以采用另外一種改進(jìn)的PID控制算法,如(2)所示.
圖1 積分系數(shù)較大時的位置PID控制階躍響應(yīng)仿真曲線
圖2 位置PID階躍響應(yīng)仿真曲線
其中
稱(3)為變速積分PID算法,其中A、B為常數(shù),其設(shè)計(jì)思想為設(shè)法改變積分項(xiàng)累加速度,使其與偏差大小相對應(yīng):偏差越大,積分越慢;反之則越快.可以看出,當(dāng)|e(k)|增大時,f(e(k))減小,反之則增大.f(e(k))值在[0,1]區(qū)間變化,當(dāng)某一時刻偏差|e(k)|大于A、B的和時,則積分環(huán)節(jié)不對該時刻的偏差進(jìn)行累加,即f(e(k))=0;當(dāng)某一時刻的偏差e(k)小于等于B時,加入當(dāng)前值e(k),積分環(huán)節(jié)與普通的PID積分項(xiàng)相同,積分速度最高;當(dāng)偏差e(k)介于B和A+B之間時,則累加的該偏差的倍數(shù)用差值方法來計(jì)算.偏差越大積分越慢,偏差越小積分越快,且積分的速度是連續(xù)變化的.變速積分與積分分離控制方法很類似,但調(diào)節(jié)方式不同,前者對積分項(xiàng)采用的是緩慢變化,而后者則采用開關(guān)控制,而且變速積分對A、B兩參數(shù)的要求不精確,因此使得變速積分調(diào)節(jié)質(zhì)量更高.
這里我們采用變速積分控制對系統(tǒng)位置定位控制進(jìn)行階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)中,B和A+B的值均可從面板上進(jìn)行賦值.將初始位置在10mm處,讓其向右運(yùn)動.實(shí)驗(yàn)中B取為0.5mm,A和B的和取為10mm,輸入50mm的階躍信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示,實(shí)驗(yàn)中kp取值不同,ki為0.01,kd為12.
圖3 變速積分階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將(2)代入(4)得
則(5)是通用的增量型PID算式.
在本系統(tǒng)中,采用增量式算法,計(jì)算機(jī)輸出的控制增量Δu(k)對應(yīng)的是比例流量閥開口的增量.雖然增量式算法與位置式算法并無本質(zhì)區(qū)別,只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn),但相對于位置式控制算式卻有以下優(yōu)點(diǎn):第一,因?yàn)檩敵鍪窃隽?,即使偏差長期存在,輸出Δu(k)一次次積累,最終可使執(zhí)行器到達(dá)極限位置,但只要偏差Δe(k)換向,Δu(k)也立即變號,從而使輸出脫離飽和狀態(tài),消除了發(fā)生積分飽和的危險;第二,輸出只是增量,計(jì)算機(jī)誤動作時造成的影響比較小,且控制平穩(wěn),必要時可用邏輯判斷的方法去掉;第三,增大初始的控制量,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度.
圖4為增量PID控制器的實(shí)驗(yàn)曲線.可以看出,系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到提高,控制也比較平穩(wěn).
圖4 增量式PID控制實(shí)驗(yàn)圖
綜上所述,本文采用了常規(guī)的位置式PID控制方法對系統(tǒng)位置定位控制進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,位置式PID對積分參數(shù)的變化很敏感,系統(tǒng)會出現(xiàn)超調(diào)和積分飽和現(xiàn)象,不能穩(wěn)定在目標(biāo)位置附近,而當(dāng)我們調(diào)整參數(shù),滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、無超調(diào)、高的定位精度要求時,系統(tǒng)的響應(yīng)速度又會變慢.
并且,針對常規(guī)的位置式PID控制算法的不足,對其中的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn),提出了變速積分PID控制算法.采用變速積分PID控制算法對位置定位控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的系統(tǒng)響應(yīng)速度比較快,具有一定的定位精度,穩(wěn)態(tài)誤差的絕對值在0.5mm內(nèi).由于位置式項(xiàng)不僅計(jì)算繁瑣而且占用很大的內(nèi)存,使用也不方便.所以我們又應(yīng)用增量式PID對位置控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法響應(yīng)速度快,控制精度高,控制平穩(wěn).
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