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(dòng)器。伺服系統(tǒng)中實(shí)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(qiáng)，有過電流保護(hù)和限流功能。
③伺服電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)必須具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、工作穩(wěn)定性好等性能。
④控制器。通常由 PC 工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，控制器現(xiàn)
在具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、控制性能好等特點(diǎn)。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(duì)應(yīng)的給定信號(hào) d θ ，由此信號(hào)與位置檢測裝置測量得到的實(shí)際位置信號(hào)θ 相比較，其偏差為- ed θ θθ = ，通過控制器的算法運(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)換與功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)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(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)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(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)速度快，既要求過渡時(shí)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(shì)
位置伺服系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合、含有多種不確定性的非線性時(shí)變系統(tǒng)，對(duì)它進(jìn)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(diǎn)問題，位置伺服系統(tǒng)的性能（響應(yīng)速度、動(dòng)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(gè)重要研究方向。優(yōu)良的控制策略不但可以彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)的不足，而且可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能�？刂撇呗灾饕ń涣麟姍C(jī)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(duì)控制策略的要求可概括為：系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高的定位精度，對(duì)參數(shù)變化不敏感，抗干擾能力強(qiáng)。
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(jìn)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(dòng)器和運(yùn)動(dòng)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(jìn)的 PID控制器[7]。
常規(guī) PID控制原理簡單、容易實(shí)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(yùn)行情況復(fù)雜，具有參數(shù)的時(shí)變性和模型的不確定性，系統(tǒng)辨識(shí)與建立模型涉及諸多因素，如摩擦特性、擾動(dòng)扭矩、機(jī)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(shí)時(shí)整定困難，對(duì)含有不確定性的非線性過程的系統(tǒng)難以進(jìn)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(yùn)行過程中對(duì)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(shí)時(shí)性較好、精度較高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的信息處理和綜合能力，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，抗干擾能力強(qiáng)[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(jī)床、機(jī)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(yàn)，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(yàn)等，為了克服這些缺點(diǎn)，需要把 PID傳統(tǒng)控制和智能控制進(jìn)行有機(jī)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(jìn)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(shì)。
1.3 先進(jìn)PID 控制策略
先進(jìn)PID控制是常規(guī) PID控制的一個(gè)延伸和拓展。先進(jìn) PID的控制對(duì)象一般具有以下三個(gè)特點(diǎn)：不確定性、高度的非線性、復(fù)雜的任務(wù)要求。先進(jìn)PID控制在其產(chǎn)生和發(fā)展的進(jìn)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(gè)不同領(lǐng)域的技術(shù)和方法的支持及推動(dòng)，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(jìn) 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(shí)用性出發(fā)，可歸納兩種基本思路：一是設(shè)計(jì)一個(gè) 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(jì)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(gè)具體的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制器與機(jī)電模型的一體化。即將整個(gè)系統(tǒng)作為整體考慮，一方面可以彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的某些局限或不足，另一方面則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模，滿足整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)[17]。
專家PID控制是利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì) PID控制參數(shù)。專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的、智能的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它包含兩個(gè)基本要素：知識(shí)庫和推理機(jī)制。知識(shí)庫中把熟練操作工或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)知識(shí)構(gòu)成PID控制參數(shù)選擇手冊(cè)，這部手冊(cè)記載各種工況下被控對(duì)象所對(duì)應(yīng)的PID控制參數(shù)，推理機(jī)進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn) PID控制器和一個(gè)模糊自調(diào)整機(jī)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(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)的大小、方向以及變化趨勢(shì)等特征，通過模糊推理做出相應(yīng)決策，便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)應(yīng)于PID 控制器的三個(gè)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(duì)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(jìn) PID控制的重點(diǎn)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(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可有效發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)并彌補(bǔ)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(diǎn)，原因在于二者之間的互補(bǔ)、互聯(lián)性。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二者各自的優(yōu)勢(shì)在于：模糊 PID控制易于獲得由語言表達(dá)的專家知識(shí)，能有效地控制難以建立精確模型而憑經(jīng)驗(yàn)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(cuò)能力也很強(qiáng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID擅長于系統(tǒng)辨識(shí)和按變化的環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)變化，模糊推理系統(tǒng)則在對(duì)人類知識(shí)進(jìn)行推理和決策方面占有優(yōu)勢(shì)，二者的結(jié)合有效推動(dòng)了先進(jìn) 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(diǎn)是算法簡便、易于實(shí)現(xiàn)，其最突出的特點(diǎn)在于它不依賴于對(duì)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(shí)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(yàn)。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(dòng)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(duì)于具有時(shí)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?cè)趹?yīng)用常規(guī) PID的同時(shí)，也對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)常規(guī)PID本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，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(yáng)長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成所謂的先進(jìn) 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(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的魯棒性[27-28]。

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