基于PMAC的数控技术试验台PID参数整定

0 引言

　　PMAC运动控制卡是性能优越、通用的一种运动控制器，本系统利用PMAC2A—PCI04运动控制卡为主卡，Acc-1P为轴扩展卡进行5～8轴数控系统集成，并应用于五轴数控技术试验台。数控技术试验台的控制环对系统的影响是巨大的，为了使数控技术试验台获得良好的稳态特性和动态特性，必须对系统的控制环进行校正和调整。在工业自动化控制领域，PID控制算法一直起着非常重要的作用，解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，即系统的稳定性、快速性和准确性。随着微电子技术及数字技术的不断发展，模拟PID调解器逐渐被淘汰，由数字PID取代，数字PID是由程序实现的，其控制的灵活性和准确性更高，是目前控制系统广泛采用的控制算法，当然，在不满足控制要求的情况下，数字PID控制算法还可以和其他控制算法组合使用。PMAC运动控制卡包含了数字式“PID+NOTCH滤波器”，为改善位置控制性能提供了便利条件。

1 PMAC运动控制器中的PID

　　PMAC作为一个全数字伺服系统，利用计算机的硬件和软件技术，采用新的控制方法改善系统的性能，可同时满足高速度和高精度的要求。该系统的位置、速度和电流的校正环节PID控制由软件实现；引入了前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈的复合控制的系统结构，使位置跟踪滞后误差大为减小，提高了位置控制精度。这种系统在理论上可以完全消除系统的静态位置误差、速度、加速度误差以及外界扰动引起的误差。PMAC提供了PID+速度／／JD速度前馈+NOTCH滤波的控制环算法，根据系统的要求来合理地调整其中的相关参数，最终可达到系统所要求的性能，能够满足几乎所有场合的要求，用户可以根据自己系统的要求来调整其中的相关参数。除此外，PMAC也为用户的特殊要求提供扩展的伺服控制算法，并且支持用户自己编写的伺服算法(需要用户熟悉Motorola 56000系列DSP CPU的汇编语言)。PMAC控制算法的原理如图1所示。

图1 PID+NOTCH滤波器

2 系统的PID参数整定

　　由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。PID参数的整定可以用理论计算法和实验调整法，理论计算法往往不能满足控制要求，在工程上常常采用实验调整法。

　　2.1 PID参数整定的基本步骤

　　2.1.1 确定比例增益K_p

　　确定比例增益K_p时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令K₁=0，KD=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60％～70％，由0逐渐加大K_p，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的Kp逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的K_p，设定PID的K_p为当前值的60％～70％。Kp调试完成。

　　2.1.2 确定积分系数K₁

　　比例增益Kp确定后，设定一个较大的积分系数K₁的初值，然后逐渐减小K₁，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大K₁，直至系统振荡消失。记录此时的K₁设定PID的积分系数K₁为当前值的150％～180％。K₁调试完成。

　　2.1.3 确定微分系数K_D

　　微分系数K_D一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定K_p和_K1的方法相同，取不振荡时的30％。

　　2.1.4 微调

　　系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

　　2.2 PID参数整定过程

　　PMAC的PID参数可以通过手动或自动的方式来设定，为了获得较好的系统性能，我们采用手动的方式来设定系统的PID参数。PID参数的整定就是执行PMAC运动控制卡的PID执行程序来激励电机，采集响应数据，绘制响应曲线，然后根据指标要求来评估响应。

　　下面具体来整定数控系统的PID参数。

　　整定之前，首先要检查试验台连接是否正确，然后开机，运行PID执行程序。PID执行程序提供的信号源有7种，用户还可以自定义信号源。在调整时主要用2种信号源，即阶跃位置信号(positionsStep)和抛物线速度(parabolic velocity)信号，可以调整这2种信号的特性(信号的幅度、时间)。通过调整与系统特性相关的参数来调整系统的特性，改变了其中的参数以后，就可以执行阶跃响应过程或抛物线响应过程。阶跃响应过程主要用来调整系统的P，I，D等参数，而抛物线响应主要是用来调整系统的动态特性，涉及到的参数主要是速度和加速度前馈。调节界面如图2所示。

图2 PID执行程序界面