位置伺服系統(tǒng)PID控制策略研究與應(yīng)用碩士論文（共71頁pdf下載）

ID:288013 · 發(fā)表于 2018-3-6 09:05

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①位置檢測裝置。伺服系統(tǒng)的主要組成部件。目前常用的位置檢測傳感器有感應(yīng)同步器、光柵、磁尺、光電脈沖發(fā)生器與編碼盤等。
②驅(qū)動器。伺服系統(tǒng)中實現(xiàn)高性能伺服定位的關(guān)鍵設(shè)備。除具有一定輸出功率和調(diào)頻調(diào)壓精度之外，還要求頻帶寬，抗干擾能力強，有過電流保護和限流功能。
③伺服電動機。構(gòu)成伺服系統(tǒng)的主要部件。位置伺服系統(tǒng)要求定位精度高，則伺服電動機必須要有良好的低速特性。另外，伺服系統(tǒng)的快速性還要求伺服電動機必須具有轉(zhuǎn)動慣量小、工作穩(wěn)定性好等性能。
④控制器。通常由 PC 工控機和運動控制卡構(gòu)成。隨著微電子技術(shù)的進步，控制器現(xiàn)
在具有體積小、功能強、成本低、控制性能好等特點。上述位置伺服系統(tǒng)的基本工作原理是：首先輸入與所需要到達(dá)的目標(biāo)位置相對應(yīng)的給定信號 d θ ，由此信號與位置檢測裝置測量得到的實際位置信號θ 相比較，其偏差為- ed θ θθ = ，通過控制器的算法運算，求出為消除該偏差所需施加于功率變換器輸入端的控制量u ，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換與功率放大，驅(qū)動伺服機構(gòu)，使得誤差 eθ 逐漸減小。
位置伺服控制系統(tǒng)通常為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)和速度環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為系統(tǒng)的外環(huán)。位置伺服系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電流頻率。速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負(fù)載擾動能力，抑制速度波動。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤性能。
⑵基本性能要求
①穩(wěn)定性優(yōu)良：穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)達(dá)到新的或回復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。
②精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨輸入量的精確程度。
③響應(yīng)速度快：快速響應(yīng)性是指伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)速度快，既要求過渡時間短又要控制系統(tǒng)的超調(diào)。 3
1.2 位置伺服系統(tǒng)主要控制策略的研究與發(fā)展趨勢
位置伺服系統(tǒng)是一個強耦合、含有多種不確定性的非線性時變系統(tǒng)，對它進行描述的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)大都不是非常準(zhǔn)確，或難以獲得準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾的不確定性是位置伺服系統(tǒng)的難點問題，位置伺服系統(tǒng)的性能（響應(yīng)速度、動靜態(tài)特性、抗干擾能力、魯棒性等）與其控制策略密切相關(guān)。因此，控制策略是位置伺服系統(tǒng)的一個重要研究方向。優(yōu)良的控制策略不但可以彌補硬件設(shè)計的不足，而且可以進一步提高系統(tǒng)性能。控制策略主要包括交流電機控制技術(shù)和系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制策略。高性能交流位置伺服系統(tǒng)對控制策略的要求可概括為：系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)和高的定位精度，對參數(shù)變化不敏感，抗干擾能力強。
在位置伺服系統(tǒng)控制中，傳統(tǒng)的和現(xiàn)代控制策略都依賴于數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的魯棒性不是很好。因而許多學(xué)者將非線性理論、人工智能、最優(yōu)控制等理論與方法引入到位置伺服系統(tǒng)控制的研究中[5][6]
，控制理論的突破與新型控制方法的誕生，都促進了位置伺服系統(tǒng)性能的迅速提高。位置伺服系統(tǒng)是基于位置誤差和誤差變化控制的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動器和運動控制器等受硬件和控制算法復(fù)雜度的制約，仍采用了PID或改進的 PID控制器[7]。
常規(guī) PID控制原理簡單、容易實現(xiàn)，在控制具有確定模型的線性過程中也取得了良好的控制效果。但位置伺服系統(tǒng)運行情況復(fù)雜，具有參數(shù)的時變性和模型的不確定性，系統(tǒng)辨識與建立模型涉及諸多因素，如摩擦特性、擾動扭矩、機械系統(tǒng)的剛度和慣量，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)PID控制參數(shù)在線實時整定困難，對含有不確定性的非線性過程的系統(tǒng)難以進行有效控制[8]。
現(xiàn)代控制策略主要包括自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、預(yù)測控制等[6]�，F(xiàn)代控
制策略能夠較好地適應(yīng)位置伺服系統(tǒng)運行過程中對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，克服各種非線性因素的影響，取得較為滿意的控制效果[9-11]。
模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前智能控制策略的重要研究方向。模糊邏輯控制實時性較好、精度較高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的信息處理和綜合能力，對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，抗干擾能力強[12][13]。
近年來，采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能方法來解決數(shù)控機床、機器人等的非線性系統(tǒng)控制和復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的控制已經(jīng)取得了一定的效果[14][15]
，但是單純的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等都有一定的不足之處，比如模糊控制的模糊規(guī)則、論域的選擇等都依賴專家經(jīng)驗，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值沒有嚴(yán)格的定義，而且權(quán)值的初始化主要也是依靠經(jīng)驗等，為了克服這些缺點，需要把 PID傳統(tǒng)控制和智能控制進行有機的結(jié)合或把智能控制領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)算法和控制策略進行有效的組合。復(fù)合控制策略是位置伺服控制策略的發(fā)展方向和趨勢。
1.3 先進PID 控制策略
先進PID控制是常規(guī) PID控制的一個延伸和拓展。先進 PID的控制對象一般具有以下三個特點：不確定性、高度的非線性、復(fù)雜的任務(wù)要求。先進PID控制在其產(chǎn)生和發(fā)展的進程中，主要受到來自人工智能、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這幾個不同領(lǐng)域的技術(shù)和方法的支持及推動，并且相應(yīng)地形成了分別基于這些技術(shù)和方法的三種基本的先進 PID控制方向，即專家PID控制、模糊 PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID控制[16]。
從位置伺服系統(tǒng)工程實用性出發(fā)，可歸納兩種基本思路：一是設(shè)計一個 PID結(jié)構(gòu)的控制器，用其他的控制理論尋找最優(yōu)的PID參數(shù)；二是用現(xiàn)代控制理論設(shè)計控制器，再將它降階至 PID結(jié)構(gòu)。這兩種思想都是從控制方法和控制策略的角度來面向一個具體的應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)控制器與機電模型的一體化。即將整個系統(tǒng)作為整體考慮，一方面可以彌補系統(tǒng)設(shè)計上的某些局限或不足，另一方面則可以實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)建模，滿足整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)[17]。
專家PID控制是利用專家經(jīng)驗來設(shè)計 PID控制參數(shù)。專家系統(tǒng)是一種基于知識的、智能的計算機程序系統(tǒng)，它包含兩個基本要素：知識庫和推理機制。知識庫中把熟練操作工或?qū)＜医?jīng)驗知識構(gòu)成PID控制參數(shù)選擇手冊，這部手冊記載各種工況下被控對象所對應(yīng)的PID控制參數(shù)，推理機進行啟發(fā)式推理，決定控制策略[18]。
模糊自整定PID控制一般是由一個標(biāo)準(zhǔn) PID控制器和一個模糊自調(diào)整機構(gòu)組成。人們把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，計算機根據(jù)輸入信號的大小、方向以及變化趨勢等特征，通過模糊推理做出相應(yīng)決策，便可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的調(diào)整[19][20]。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制是由 PID 控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出狀態(tài)對應(yīng)于PID 控制器的三個可調(diào)參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制參數(shù)[21-23]。
由于專家PID在位置伺服系統(tǒng)中存在較多的問題和困難，現(xiàn)在先進 PID控制的重點集中在模糊 PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID以及二者的結(jié)合應(yīng)用上，特別是二者的結(jié)合。隨著模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的不斷深入，將模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID進行有機結(jié)合，可有效發(fā)揮其各自的優(yōu)勢并彌補不足�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制器近年來逐漸成為研究的熱點，原因在于二者之間的互補、互聯(lián)性。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二者各自的優(yōu)勢在于：模糊 PID控制易于獲得由語言表達(dá)的專家知識，能有效地控制難以建立精確模型而憑經(jīng)驗控制的系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID則由于其能映射任意函數(shù)關(guān)系，具有并處理和自學(xué)習(xí)能力，容錯能力也很強。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID擅長于系統(tǒng)辨識和按變化的環(huán)境進行自適應(yīng)變化，模糊推理系統(tǒng)則在對人類知識進行推理和決策方面占有優(yōu)勢，二者的結(jié)合有效推動了先進 PID控制在位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[24-26]。
目前位置伺服系統(tǒng)控制策略仍然普遍采用經(jīng)典PID控制方法。其優(yōu)點是算法簡便、易于實現(xiàn)，其最突出的特點在于它不依賴于對象的精確模型，可以解決位置伺服系統(tǒng)精確建模的困難，而且其應(yīng)用時間較長，控制專家們已積累大量的PID參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗。由于位置伺服系統(tǒng)向著高精度、高速度的方向發(fā)展，要求提高位置控制器的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)特性、魯棒性的性能，常規(guī)PID控制缺陷逐漸暴露出來，對于具有時變性和非線性的位置伺服系統(tǒng)，常規(guī)PID控制更顯得無能為力。人們在應(yīng)用常規(guī) PID的同時，也對其進行各種改進。主要體現(xiàn)在兩個方面：一是對常規(guī)PID本身結(jié)構(gòu)的改進，即變結(jié)構(gòu)PID控制。另一方面，將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制與常規(guī) PID控制相結(jié)合，揚長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成所謂的先進 PID控制。這種新型控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大的興趣，并已在位置伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特點，對系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的魯棒性[27-28]。

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