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运动控制系统中PID调节器设计分析

发表时间：2020/8/6 来源：《基层建设》2020年第10期作者：周日山

[导读] 摘要：运动控制系统是工业自动化生产控制系统的关键，在系统之中PID调节器发挥着巨大作用，其设计合理性将会直接影响系统运行成效。

        广东韶钢松山有限公司 512000
        摘要：运动控制系统是工业自动化生产控制系统的关键，在系统之中PID调节器发挥着巨大作用，其设计合理性将会直接影响系统运行成效。基于此，本文对PID调节器的由来以及其原理进行进行了简要分析，还对运动控制系统中的PID调节器设计方法进行了论述，希望能为相关工作人员带来参考。
        关键词：运动控制系统；PID调节器；系统设计
        前言：目前，自动控制技术已经被广泛应用在工业领域当中，工业控制领域的一大核心就是运动控制，而在运动控制系统之中，PID调节器又发挥着至关重要的作用。所以，要提高工业控制水平就必须着力提升运动控制系统的运行有效性，也就需要强化PID调节器的设计，使其更具科学性与合理性。
        1 PID调节器概况
        如今，工业自动化水平不断提升，控制理论已经从古典控制理论逐步发展为现代以及智能控制理论。在工业生产当中，运动控制系统十分常见，PID调节器也十分普及。PID调节器是具有PID参数自整定功能的智能调节器，在工业领域当中PID调节器的种类十分多样。比如，基于PID实现控制的温度控制器或压力控制器；拥有PID功能的可编程控制器或可实现PID控制的PC系统。在实际使用环节，PLC（可编程控制器）主要以闭环控制模块完成PID控制。
        PID调节器（如图1）以PID控制基础运行，PID代表着Proportion（比例）、Integral（积分）、Differential coefficient（微分），是三种控制算法的简称，而PID控制是这三种算法的组合，可以对被控对象的偏差进行纠正，使其呈现稳定状态[1]。PID调节器的原理就是开环控制系统，主要由传感器和变送器组合而成。在PID调节器的三种控制之中，比例控制最为简单，其输出与输入的误差信号成正比或反比关系，如果控制系统输出了稳态误差，则代表其仅有比例控制。积分控制之中，控制器输入和输出的误差信号的积分必为正比关系。当自动控制系统处于稳态后仍有稳态误差时，系统可被判定为有差系统，则为了消除误差就必须引入“积分项”；积分项的大小与时间成正比，当自动控制系统应用PI控制器时，系统将消除稳态误差。微分控制之中，误差信号的微分将成正比关系，被引入的微分项十分有利于误差变化趋势的预测。对于自动控制系统而言，PD控制器的应用可对系统调节的动态特性进行改善。

        图1 PID调节器
        2 PID调节器设计分析
        运动控制源自于伺服控制，是一种自动化控制技术，在其使用环节将以实时管控的方式对机械运动部件的位置和速度进行控制，以保障运动部件运行轨迹和参数标准为使用目标。通常来说，运动控制系统之中包括运动控制器、执行器、反馈传感器和PID调节器，该系统在运行环节可以实现速度、点位、电子凸轮控制。为了能充分发挥运动控制系统的使用效果，相关工作人员需要对其中的PID调节器进行合理设计。
        2.1硬件设计
        在硬件设计环节，应该以PC机作为主机，其核心的微处理器可选用DSP。基于PC机，可以完成数据的粗处理，而且在处理后需要将这些数据传入运动控制系统之中，为保证数据传递有效性，在硬件设计环节选择了应用DSP-PC通讯接口。在此环节，还需要重视光电编码器的性能和功用，应使用DSP技术分析反馈信号处理电路的结果，进而获取误差值。依托于软件位置调节器和计算，可以得到运动速度控制量，在D/A转换之下，伺服放大器中会被传入来自于传输信号的模拟电压量，那么就在控制伺服电机的基础上实现位置闭环控制。
        2.1.1DSP外部中断接口设计
        运动控制系统中运动控制器一旦超过控制范围，则会出现限位中断，进而引发编码器INDEX信号中断。在设计环节应该确保各个控制轴上都有正、反方向的限位开关，并具有两个限位信号。那么，在实用环节因为共有四个轴，所以共有八个限位信号，则基于CPLD（可编程逻辑器件），就可以让这些信号被接入DSP的中断管脚；那么在光耦电路的影响下，信号将与DSP的I/O口相连。此时，若运动触及限位开关，那么就会触动的DSP则外部信号将被中断，在DSP的判断之下，我们可以锁定超出工作范围且处于运转状态的开关位置。
        2.1.2四轴编码器信号
        在设计环节，应采用四轴编码器信息处理方式来控制电路。编码器的主要功能模块滤波模块、倍频模块和技术模块，电路将以分立元件的方法设计，这样才能保证电路运行安全和可靠，但由此设计方法而形成的电路抗干扰能力较弱。当相关工作人员设计单片并行四轴编码器时，应基于CPLD处理电路，以便于提高实时性，减小硬件体积并提升工作效率和系统集成度。当然，相比于分元件，单片并行四轴编码器还具备集成化高的优势，其处理电路都集中在单片之上。这种集成化处理电路的应用，将发挥以下功能：
        一方面，从单片芯片的参数特性上来看，门电路与触发器参数之间并无差异，若转速相同，则脉冲信号脉冲周期具有一致性。
        另一方面，从系统功能上来看，电路都集中于单一芯片，可以使得电路的抗干扰能力更强，其抗干扰性远超于分离器件的电路设计方案。而且，单片集成电路还能让系统运行的灵活性、通用性和可靠性都得到保障。
        2.2控制算法设计
        PID控制算法最初被应用在船舶的自动舵当中，时实现机械控制的关键。在对PID调节器进行设计时，必须要对PID算法进行设计，这样才能保证调节器的使用有效性。当PID是集比例、积分和微分为一体的控制算法，在控制算法当中属于成熟度高且应用广泛的类型，在对控制算法进行设计时，相关工作人员需要基于实用性原则作业。
        以积分分离PID控制算法设计为例，这种控制算法的主要运行目的是消除静态误差，可以为提高控制精度奠定坚实基础。通常来说，PID调节器的运动方程为，

方程当中，以u（t）表示进入受控对象的控制变量，e（t）表示偏差信号，r（t）表示已设定的参考输入值，比例系数用KP来表示，积分时间常数用Ti来表示，而微分时间常数用Td来表示。积分分离PID控制算法则可用

来表示。在积分分离PID控制之下，如果被控量与设定值之间存在较大偏差，那么积分作用将被取消，以免因其影响而使得系统稳定性降低；而当被控量与定制相近时，则需要引入积分作用，那么就可以消除误差并且提高系统的控制精度[2]。因此，在设计积分分离PID控制算法时，相关工作人员需要先基于实际情况确定阈值

＞0，然后设计出科学的算法程序，基于被控量与设定值误差的实际情况来调整控制方法。比如，当系统存在较大误差时，让系统采用PD控制形式，通过取消积分环节来避系统超调过大；当系统存在较小误差时，让系统采用PID控制，借助于引入积分环节提高控制的精度和误差消除有效性。
        结论：综上所述，PID调节器在工业控制领域当中应用普遍。在PID调节器设计过程中，合理设计PID控制算法以及硬件十分重要。在实践工作中，相关工作人员需要通过合理设计处理好DSP外部中断接口，并提升四轴编码器信号处理有效性，还需要在实践中科学开展PID算法控制设计工作。
        参考文献：
        [1]吴言穗,王瑶为,王军晓,等.多轴运动控制系统的非线性PID交叉耦合控制[J].控制工程,2020,27(05):830-834.
        [2]赵硕伟.运动控制系统中PID调节器设计[J].信息记录材料,2018,19(03):47-48.