郭 波 鄒麗梅

（武夷學(xué)院 電子工程系，福建 武夷山 354300）

基于Turbo PMAC Clipper的伺服系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法

郭 波 鄒麗梅

（武夷學(xué)院 電子工程系，福建 武夷山 354300）

本文介紹了PMAC測(cè)定PID參數(shù)軟件PmacTuningPro2功能模塊的運(yùn)用，指明PID參數(shù)的變化對(duì)響應(yīng)曲線指標(biāo)的影響。分析了根據(jù)階躍響應(yīng)曲線整定PID參數(shù)方法與根據(jù)拋物線速度曲線整定前饋參數(shù)方法，為使用Clipper控制器開(kāi)發(fā)機(jī)電設(shè)備打好基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，此方法適合模擬輸出速度環(huán)伺服系統(tǒng)，能提高顯著提高系統(tǒng)響應(yīng)速度等動(dòng)態(tài)特性。

Clipper；PID參數(shù)；動(dòng)態(tài)特性

在由PMAC控制器組建的高精度數(shù)控伺服系統(tǒng)中，當(dāng)完成控制器、電機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與檢測(cè)元件的選型構(gòu)建后，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)控制調(diào)試。閉環(huán)數(shù)控伺服系統(tǒng)普遍采用的自動(dòng)控制為PID（比例、積分、微分）控制，PMAC控制器還能引入前饋、濾波等算法，該控制對(duì)調(diào)校系統(tǒng)精度，獲得良好動(dòng)態(tài)特性有重要的效果。PMAC內(nèi)置了PID算法,在實(shí)際調(diào)校中就是整定比例、積分和微分的三項(xiàng)參數(shù)值。工業(yè)控制PID整定方法到目前為止大約有幾十種，如臨界比例度法、反應(yīng)曲線法、試湊法等[1]，可是工業(yè)控制器及被控對(duì)象的特點(diǎn)千差萬(wàn)別，實(shí)際并沒(méi)有一種適用于全部系統(tǒng)的精確整定方法。本文面向數(shù)控伺服系統(tǒng)，結(jié)合Turbo PMAC Clipper運(yùn)動(dòng)控制器PmacTuningPro2軟件進(jìn)行PID參數(shù)整定，通過(guò)總結(jié)整定流程，提高對(duì)類(lèi)似系統(tǒng)的調(diào)試效率。

1 伺服系統(tǒng)的組成及PID軟件介紹

Turbo PMAC Clipper控制器 (Turbo PMAC2 Eth-Lite)是美國(guó)Delta Tau公司推出的PMAC開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器家族的一員。其具備全部Turbo PMAC特征，提供最多32軸獨(dú)立閉環(huán)控制，當(dāng)前在我國(guó)主要用于數(shù)控機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。本實(shí)驗(yàn)伺服系統(tǒng)采用上位機(jī)+CLIPPER作為控制端完成信息處理；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為日本富士伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)（200W）；機(jī)械本體采用X-Y十字滑臺(tái)；反饋系統(tǒng)為伺服電機(jī)編碼器，形成模擬輸出，速度環(huán)閉環(huán)控制。

Clipper卡通過(guò)PmacTuningPro2軟件為用戶(hù)提供了PID、速度與加速度前饋和反饋濾波三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)控制算法，這些需要整定的參數(shù)值以I變量的形式存儲(chǔ)在卡內(nèi)，點(diǎn)擊菜單Interative Turing項(xiàng)可見(jiàn)PID參數(shù)集成整定對(duì)話(huà)框，如圖1。

圖1 PID參數(shù)集成整定對(duì)話(huà)框

該對(duì)話(huà)框涵蓋了手動(dòng)整定過(guò)程的全部參數(shù)設(shè)置，其中圖中標(biāo)示1～11項(xiàng)為PID參數(shù)設(shè)定區(qū)，用于手動(dòng)輸入需要測(cè)試的PID系列參數(shù)，分別為1、比例增益Kp；2、微分增益 Kd；3、速度前饋 Kvff；4、積分增益 Ki；5、積分模式 IM ；6、加速度前饋 Kaff；7、模擬量輸出偏差；8、模擬量輸出極限；9、伺服環(huán)周期擴(kuò)展；10、摩擦前饋增益；11、跟隨誤差限制設(shè)定。這些參數(shù)存儲(chǔ)在如圖1所示變量Ixx30～I(xiàn)xx11中，xx為電機(jī)號(hào)，Turbo PMAC2型控制器Clipper的取值范圍為1～32。區(qū)域Ⅰ用于選擇輸入軌跡的類(lèi)型，一般需要調(diào)整（1）Position Step階躍位置信號(hào)輸入，此整定過(guò)程涉及Kp、Kd、Ki、IM四個(gè)PID參數(shù)。階躍位置輸入信號(hào)在線性定?？刂浦袨樽畈畹募?lì)信號(hào)，如果伺服系統(tǒng)能在此信號(hào)激勵(lì)作用下滿(mǎn)足控制要求，則其他外激勵(lì)信號(hào)也就不會(huì)有問(wèn)題。（2）Parabolic Velocity拋物線速度信號(hào)輸入，用于調(diào)整速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益這三個(gè)前饋參數(shù)。引入前饋環(huán)節(jié)能補(bǔ)充傳統(tǒng)PID的精度控制缺陷，構(gòu)成前饋反饋復(fù)合閉環(huán)，用于改善伺服系統(tǒng)速度誤差與跟隨誤差。

區(qū)域Ⅱ用于設(shè)定輸入信號(hào)參數(shù)值，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)當(dāng)盡量使輸入?yún)?shù)接近伺服系統(tǒng)的運(yùn)行工況。區(qū)域Ⅲ用于設(shè)定測(cè)出數(shù)據(jù)坐標(biāo)軸的項(xiàng)目類(lèi)型，可提供復(fù)合的測(cè)定曲線供調(diào)試人員參考。圖1標(biāo)示的按鈕A用于被測(cè)電機(jī)的開(kāi)閉，整定過(guò)程的操作為在PID參數(shù)設(shè)定區(qū)輸入設(shè)定值后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕D運(yùn)行內(nèi)置的PLC程序開(kāi)始測(cè)定指標(biāo)，根據(jù)繪出的坐標(biāo)軸曲線形狀與測(cè)定指標(biāo)更改PID參數(shù)，如此不斷反復(fù)以便獲得符合控制要求的動(dòng)態(tài)特性。

點(diǎn)擊按鈕B （Notch Filter Calculator）或按鈕C（Low Pass Filter Calculator）將進(jìn)入陷波/低通濾波器調(diào)整模式，其涉及到Ixx36～I(xiàn)xx39四個(gè)過(guò)濾器系數(shù)。該模式可自動(dòng)整定過(guò)濾反饋噪音信號(hào)的過(guò)濾器系數(shù)，整定過(guò)程需要設(shè)定噪音頻段。

2 PID參數(shù)的實(shí)際作用及曲線分析

PID參數(shù)在工程應(yīng)用中可由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)整定兩種方法得到，當(dāng)伺服系統(tǒng)參數(shù)不能完全掌握時(shí)，控制的結(jié)構(gòu)與參數(shù)就必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)整定。依靠經(jīng)驗(yàn)要求調(diào)試人員須了解PID參數(shù)代表的物理意義，該意義在許多文獻(xiàn)均有詳細(xì)說(shuō)明[2]；其次為掌握PID參數(shù)的變化對(duì)響應(yīng)曲線指標(biāo)的影響。

2.1 階躍響應(yīng)曲線

階躍信號(hào)輸入的響應(yīng)曲線如圖2所示，擁有階躍指令位置線與實(shí)際位置線，比較兩線差異得到指標(biāo)，期望的指標(biāo)應(yīng)為：響應(yīng)時(shí)間（Rise Time）應(yīng)盡量??；帶寬（Natural Freq）應(yīng)盡量大；超調(diào)率（Over Shoot）應(yīng)接近 0；阻尼比（Damping）維持在 0.6～1 之間。

圖2 階躍信號(hào)響應(yīng)曲線

PID參數(shù)Ixx30比例增益的數(shù)值增加能提升系統(tǒng)剛性與響應(yīng)速度，主要體現(xiàn)為曲線響應(yīng)時(shí)間的減小、帶寬的增加，阻尼比的減小。但是數(shù)值過(guò)大將影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，初始表現(xiàn)為超調(diào)率增大，響應(yīng)時(shí)間增加。如果比例增益繼續(xù)增加，系統(tǒng)將出現(xiàn)失穩(wěn)，伺服系統(tǒng)將不斷震蕩。

Ixx31微分增益將引入阻尼。合適的數(shù)值增加能減低超調(diào)率，增加阻尼比，使伺服系統(tǒng)穩(wěn)定在高比例增益下。如果微分增益數(shù)值過(guò)大，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間將增大，帶寬降低，阻尼比數(shù)值維持在1上。對(duì)于伺服系統(tǒng)，阻尼比應(yīng)維持在0.6～1之間能夠獲得較好的響應(yīng)特性。

Ixx33積分增益用于消除高比例增益帶來(lái)的穩(wěn)定誤差，僅當(dāng)伺服系統(tǒng)特性需要高比例增益帶來(lái)高剛度或響應(yīng)速度時(shí)才需要引入，一般系統(tǒng)采用默認(rèn)值0即可。

Ixx34積分增益模式?jīng)Q定增益是否全程有效或控制速度為0時(shí)有效。

2.2 拋物線速度曲線

通過(guò)對(duì)拋物線速度曲線（如圖3）的評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn)伺服系統(tǒng)引前饋能減少系統(tǒng)跟隨誤差。所以，該曲線最重要的指標(biāo)為最大跟隨誤差 （Max Following Error），其坐標(biāo)值位于坐標(biāo)軸右方，測(cè)定出的數(shù)值越接近0越好，單位為cts。

圖3 拋物線速度曲線

Ixx32速度前饋可消除微分增益帶來(lái)的跟隨誤差，Ixx35加速度前饋能減小系統(tǒng)慣性帶來(lái)的跟隨誤差，Ixx68摩擦前饋增益能減小摩擦產(chǎn)生的跟隨誤差。

3 整定步驟及注意點(diǎn)

3.1 自動(dòng)調(diào)定

PmacTuningPro2軟件為用戶(hù)提供了自動(dòng)整定功能AutoTuning。該功能將快速運(yùn)動(dòng)電機(jī)并根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算增益，但是遺憾的是該功能在多數(shù)帶負(fù)載調(diào)整時(shí)并不能達(dá)到最優(yōu)整定。自整定功能的用途主要在對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性目標(biāo)明確，且系統(tǒng)能達(dá)到的特性高于期望值很多的情況下。如果在負(fù)載條件下，自整定不能帶來(lái)伺服系統(tǒng)希望的運(yùn)動(dòng)，那么只能手動(dòng)整定電機(jī)伺服環(huán)的參數(shù)。關(guān)于自整定功能的使用，文獻(xiàn)[3]有詳細(xì)說(shuō)明，這里不再贅述。

3.2 手動(dòng)整定步驟

3.2.1 初始準(zhǔn)備工作

1、將 Ixx30、Ixx31、Ixx32、Ixx33、Ixx34、Ixx35、Ixx60、Ixx68參數(shù)值修改為0。

2、選擇菜單Position Loop中的DAC Calibration執(zhí)行自動(dòng)校正DAC，消除電機(jī)零飄，校正值輸入Ixx29。

3、對(duì)于Clipper控制器，Ixx69設(shè)置應(yīng)為1001，限制最大輸出模擬電壓值。

4、Ixx11設(shè)置為32000，限制測(cè)試最大跟隨誤差報(bào)警，防止不合適的PID參數(shù)引起系統(tǒng)超限震蕩。

5、指令J/閉環(huán)電機(jī)，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)至安全位置，通常為零點(diǎn)附近。

3.2.2 階躍信號(hào)響應(yīng)曲線的整定

第一步從較低的數(shù)值 （如100）開(kāi)始，逐漸增加Ixx30比例增益，此時(shí)PID控制器為純比例調(diào)節(jié)。隨著數(shù)值的增加，將產(chǎn)生如圖 4（a）至（d）四類(lèi)曲線形狀，其形狀的意義見(jiàn)圖4，與之對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線指標(biāo)開(kāi)始變化：響應(yīng)時(shí)間減?。怀{(diào)率超過(guò)0；阻尼比（Damping）從1 開(kāi)始逐漸下降至 0.1。在圖（b）至圖（c）階段會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間隨著數(shù)值的增加在最小的一個(gè)值保持毫秒級(jí)的跳動(dòng)， 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為0.023s～0.025s。繼續(xù)增加Ixx30，將會(huì)在某一數(shù)值，響應(yīng)時(shí)間開(kāi)始上升的情況，這時(shí)記錄Ixx30的數(shù)值，取其70%作為初定值，則比例增益Kp確定。

第二步給定微分增益Ixx31一個(gè)較大的值，通常為Kp的兩倍以上，測(cè)試結(jié)果一般來(lái)說(shuō)，之前過(guò)大的超調(diào)率會(huì)減低為0，阻尼比會(huì)再次變?yōu)?，響應(yīng)時(shí)間增大。這時(shí)逐漸減小微分增益，仔細(xì)觀察曲線變化，根據(jù)指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間變化，將會(huì)有一個(gè)合適的數(shù)值（此時(shí)可能需要微調(diào)比例增益Kp）控制響應(yīng)時(shí)間達(dá)到第一步純比例調(diào)節(jié)的最低值，同時(shí)帶寬達(dá)到最大，如圖4（d），至此階躍信號(hào)輸入整定完畢。

圖4 常見(jiàn)階躍曲線形狀

圖5 常見(jiàn)拋物線速度曲線形狀

3.2.3 拋物線速度曲線的整定

在比例+微分控制條件下，選擇拋物線速度輸入，可以采用最小二乘法逐個(gè)輸入Ixx32速度前饋參數(shù)，將得到的曲線與圖5各階段曲線形狀對(duì)比。如Ixx32=1000曲線形狀類(lèi)似于圖5（a），跟隨誤差線與指令速度線同相同位，屬于速度前饋增益太小，再設(shè)定一個(gè)Ixx32=10000曲線形狀類(lèi)似圖5（b），跟隨誤差反向，屬于速度前饋增益太大，則再次輸入5000對(duì)比，不斷如此反復(fù)，直至得到一個(gè)最小的跟隨誤差值，如圖5（c）。由于跟隨誤差有可能是負(fù)值，所以最小的值為最接近零的數(shù)值。

此時(shí)的跟隨誤差主要由系統(tǒng)慣性帶來(lái)，最大誤差集中發(fā)生在拋物線加速度變化最大處，如拋物線起點(diǎn)，中點(diǎn)和終點(diǎn)，從0開(kāi)始逐漸增加Ixx35加速度前饋能減小這類(lèi)誤差，減低并穩(wěn)定指標(biāo)最大跟隨誤差（Max Following Error），如圖 5（d）。但如果 Ixx35 數(shù)值過(guò)大也會(huì)增大最大跟隨誤差，所以不適用最小二乘法，只能通過(guò)不斷比較曲線形狀與特征值確定。

3.3 整定過(guò)程的注意點(diǎn)

1、檢測(cè)到的指標(biāo)是有誤差的，同一組參數(shù)重復(fù)檢測(cè)得到的指標(biāo)并不會(huì)相同，但如果差異總是較大，說(shuō)明反饋噪聲影響較大，應(yīng)嘗試陷波濾波器設(shè)置。

2、比例增益與微分增益整定過(guò)程實(shí)際是一個(gè)尋找臨界點(diǎn)的過(guò)程，比例增益需從小至大逐個(gè)嘗試，微分增益應(yīng)從大到小。如果隨意嘗試增益數(shù)值可能會(huì)帶來(lái)較大的指標(biāo)誤差，對(duì)整定過(guò)程的曲線判斷起干擾作用。

3、比例增益如果過(guò)大，測(cè)定時(shí)電機(jī)會(huì)震蕩，如圖4（e）此時(shí)應(yīng)點(diǎn)擊圖1按鈕A—killmotor關(guān)閉電機(jī)，減小比例增益再試。

4、在過(guò)高的Kp與Kd配合下，也可能獲得較好的階躍曲線指標(biāo)，如圖4（f）。但系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，切換到拋物線速度曲線模式將引起過(guò)大的速度誤差和跟隨誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

PMAC運(yùn)動(dòng)控制器用途廣泛，受到廣大機(jī)電工程人員的青睞。其PID參數(shù)整定是伺服系統(tǒng)正常工作的前提，是所有學(xué)習(xí)使用PMAC的工程師必須掌握的技術(shù)。由于其功能復(fù)雜，相關(guān)資料不全，其使用往往讓初學(xué)者繞了很多彎路。筆者通過(guò)查閱資料、幫助文獻(xiàn)并作實(shí)驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)為PMAC的整定過(guò)程是有規(guī)律可循的，希望此整定方法能對(duì)同行有所幫助。

[1]付冬梅.工業(yè)過(guò)程控制中的PID整定方法[J].自動(dòng)化博覽，1994（06）.

[2]黨大偉，武建新，楊曉軍.基于PMAC-PCI運(yùn)動(dòng)控制器的PID 整定[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（03）.

[3]趙保亞.基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（10）.

[4]DELTA TAU Data System,Inc.PMAC2Software Reference[Z],2004.

Based on the Turbo PMAC Clipper Serve System of PID Parameters Setting Method

GUO Bo ZOU Limei

（Department of Electronic Engineering，Wuyi University,Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

This paper introduces the function module of software PmacTuningPro2 for PMAC setting PID parameters,point out The impact of PID parameters on the response curve indicators.Analysis the method of setting PID parameters by the step response curve and the method setting feed forward parameters by the parabolic velocity curve,the method can lay a basis for using the Clipper controller developing mechanical.The practice shows that this method is suitable for simulation output speed servo system,can improve the ring significantly improve the system response speed dynamic characteristics.

Clipper；PID parameters；dynamic characteristic

TM571

A

1674－2109(2012)01－0060－05

2011-10-08

南平市科技局項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):N2009Z10-4)。

郭波（1979-）,男，漢族,講師,主要研究方向：數(shù)控技術(shù)。