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）

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測定PID參數(shù)軟件PmacTuningPro2功能模塊的運用，指明PID參數(shù)的變化對響應(yīng)曲線指標的影響。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控制器開發(fā)機電設(shè)備打好基礎(chǔ)。實踐表明，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)速度等動態(tài)特性。

Clipper；PID參數(shù)；動態(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、傳動結(jié)構(gòu)與檢測元件的選型構(gòu)建后，就應(yīng)當(dāng)進行系統(tǒng)的自動控制調(diào)試。閉環(huán)數(shù)控伺服系統(tǒng)普遍采用的自動控制為PID（比例、積分、微分）控制，PMAC控制器還能引入前饋、濾波等算法，該控制對調(diào)校系統(tǒng)精度，獲得良好動態(tài)特性有重要的效果。PMAC內(nèi)置了PID算法,在實際調(diào)校中就是整定比例、積分和微分的三項參數(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)控制器及被控對象的特點千差萬別，實際并沒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運動控制器PmacTuningPro2軟件進行PID參數(shù)整定，通過總結(jié)整定流程，提高對類似系統(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Delta Tau公司推出的PMAC開放式多軸運動控制器家族的一員。其具備全部Turbo PMAC特征，提供最多32軸獨立閉環(huán)控制，當(dāng)前在我國主要用于數(shù)控機電產(chǎn)品開發(fā)。本實驗伺服系統(tǒng)采用上位機+CLIPPER作為控制端完成信息處理；執(zhí)行機構(gòu)為日本富士伺服驅(qū)動器與電機（200W）；機械本體采用X-Y十字滑臺；反饋系統(tǒng)為伺服電機編碼器，形成模擬輸出，速度環(huán)閉環(huán)控制。

Clipper卡通過PmacTuningPro2軟件為用戶提供了PID、速度與加速度前饋和反饋濾波三類標準控制算法，這些需要整定的參數(shù)值以I變量的形式存儲在卡內(nèi)，點擊菜單Interative Turing項可見PID參數(shù)集成整定對話框，如圖1。

圖1 PID參數(shù)集成整定對話框

該對話框涵蓋了手動整定過程的全部參數(shù)設(shè)置，其中圖中標示1～11項為PID參數(shù)設(shè)定區(qū)，用于手動輸入需要測試的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)存儲在如圖1所示變量Ixx30～Ixx11中，xx為電機號，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型，一般需要調(diào)整（1）Position Step階躍位置信號輸入，此整定過程涉及Kp、Kd、Ki、IM四個PID參數(shù)。階躍位置輸入信號在線性定?？刂浦袨樽畈畹募钚盘?，如果伺服系統(tǒng)能在此信號激勵作用下滿足控制要求，則其他外激勵信號也就不會有問題。（2）Parabolic Velocity拋物線速度信號輸入，用于調(diào)整速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益這三個前饋參數(shù)。引入前饋環(huán)節(jié)能補充傳統(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)定輸入信號參數(shù)值，現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)當(dāng)盡量使輸入?yún)?shù)接近伺服系統(tǒng)的運行工況。區(qū)域Ⅲ用于設(shè)定測出數(shù)據(jù)坐標軸的項目類型，可提供復(fù)合的測定曲線供調(diào)試人員參考。圖1標示的按鈕A用于被測電機的開閉，整定過程的操作為在PID參數(shù)設(shè)定區(qū)輸入設(shè)定值后，鼠標點擊按鈕D運行內(nèi)置的PLC程序開始測定指標，根據(jù)繪出的坐標軸曲線形狀與測定指標更改PID參數(shù)，如此不斷反復(fù)以便獲得符合控制要求的動態(tài)特性。

點擊按鈕B （Notch Filter Calculator）或按鈕C（Low Pass Filter Calculator）將進入陷波/低通濾波器調(diào)整模式，其涉及到Ixx36～Ixx39四個過濾器系數(shù)。該模式可自動整定過濾反饋噪音信號的過濾器系數(shù)，整定過程需要設(shè)定噪音頻段。

2 PID參數(shù)的實際作用及曲線分析

PID參數(shù)在工程應(yīng)用中可由理論計算和實驗整定兩種方法得到，當(dāng)伺服系統(tǒng)參數(shù)不能完全掌握時，控制的結(jié)構(gòu)與參數(shù)就必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來整定。依靠經(jīng)驗要求調(diào)試人員須了解PID參數(shù)代表的物理意義，該意義在許多文獻均有詳細說明[2]；其次為掌握PID參數(shù)的變化對響應(yīng)曲線指標的影響。

2.1 階躍響應(yīng)曲線

階躍信號輸入的響應(yīng)曲線如圖2所示，擁有階躍指令位置線與實際位置線，比較兩線差異得到指標，期望的指標應(yīng)為：響應(yīng)時間（Rise Time）應(yīng)盡量小；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)時間的減小、帶寬的增加，阻尼比的減小。但是數(shù)值過大將影響系統(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)值過大，系統(tǒng)的響應(yīng)時間將增大，帶寬降低，阻尼比數(shù)值維持在1上。對于伺服系統(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高剛度或響應(yīng)速度時才需要引入，一般系統(tǒng)采用默認值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時有效。

2.2 拋物線速度曲線

通過對拋物線速度曲線（如圖3）的評估，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為最大跟隨誤差 （Max Following Error），其坐標值位于坐標軸右方，測定出的數(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的跟隨誤差，Ixx35加速度前饋能減小系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差，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

3.1 自動調(diào)定

PmacTuningPro2軟件為用戶提供了自動整定功能AutoTuning。該功能將快速運動電機并根據(jù)動態(tài)響應(yīng)計算增益，但是遺憾的是該功能在多數(shù)帶負載調(diào)整時并不能達到最優(yōu)整定。自整定功能的用途主要在對系統(tǒng)的動態(tài)特性目標明確，且系統(tǒng)能達到的特性高于期望值很多的情況下。如果在負載條件下，自整定不能帶來伺服系統(tǒng)希望的運動，那么只能手動整定電機伺服環(huán)的參數(shù)。關(guān)于自整定功能的使用，文獻[3]有詳細說明，這里不再贅述。

3.2 手動整定步驟

3.2.1 初始準備工作

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)行自動校正DAC，消除電機零飄，校正值輸入Ixx29。

3、對于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，限制測試最大跟隨誤差報警，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，移動實驗臺至安全位置，通常為零點附近。

3.2.2 階躍信號響應(yīng)曲線的整定

第一步從較低的數(shù)值 （如100）開始，逐漸增加Ixx30比例增益，此時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）四類曲線形狀，其形狀的意義見圖4，與之對應(yīng)的響應(yīng)曲線指標開始變化：響應(yīng)時間減?。怀{(diào)率超過0；阻尼比（Damping）從1 開始逐漸下降至 0.1。在圖（b）至圖（c）階段會出現(xiàn)響應(yīng)時間隨著數(shù)值的增加在最小的一個值保持毫秒級的跳動， 本實驗系統(tǒng)為0.023s～0.025s。繼續(xù)增加Ixx30，將會在某一數(shù)值，響應(yīng)時間開始上升的情況，這時記錄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Ixx31一個較大的值，通常為Kp的兩倍以上，測試結(jié)果一般來說，之前過大的超調(diào)率會減低為0，阻尼比會再次變?yōu)?，響應(yīng)時間增大。這時逐漸減小微分增益，仔細觀察曲線變化，根據(jù)指標響應(yīng)時間變化，將會有一個合適的數(shù)值（此時可能需要微調(diào)比例增益Kp）控制響應(yīng)時間達到第一步純比例調(diào)節(jié)的最低值，同時帶寬達到最大，如圖4（d），至此階躍信號輸入整定完畢。

圖4 常見階躍曲線形狀

圖5 常見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各階段曲線形狀對比。如Ixx32=1000曲線形狀類似于圖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Ixx32=10000曲線形狀類似圖5（b），跟隨誤差反向，屬于速度前饋增益太大，則再次輸入5000對比，不斷如此反復(fù)，直至得到一個最小的跟隨誤差值，如圖5（c）。由于跟隨誤差有可能是負值，所以最小的值為最接近零的數(shù)值。

此時的跟隨誤差主要由系統(tǒng)慣性帶來，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，中點和終點，從0開始逐漸增加Ixx35加速度前饋能減小這類誤差，減低并穩(wěn)定指標最大跟隨誤差（Max Following Error），如圖 5（d）。但如果 Ixx35 數(shù)值過大也會增大最大跟隨誤差，所以不適用最小二乘法，只能通過不斷比較曲線形狀與特征值確定。

3.3 整定過程的注意點

1、檢測到的指標是有誤差的，同一組參數(shù)重復(fù)檢測得到的指標并不會相同，但如果差異總是較大，說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程實際是一個尋找臨界點的過程，比例增益需從小至大逐個嘗試，微分增益應(yīng)從大到小。如果隨意嘗試增益數(shù)值可能會帶來較大的指標誤差，對整定過程的曲線判斷起干擾作用。

3、比例增益如果過大，測定時電機會震蕩，如圖4（e）此時應(yīng)點擊圖1按鈕A—killmotor關(guān)閉電機，減小比例增益再試。

4、在過高的Kp與Kd配合下，也可能獲得較好的階躍曲線指標，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大的速度誤差和跟隨誤差。

4 結(jié)束語

PMAC運動控制器用途廣泛，受到廣大機電工程人員的青睞。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。筆者通過查閱資料、幫助文獻并作實驗對比，認為PMAC的整定過程是有規(guī)律可循的，希望此整定方法能對同行有所幫助。

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

[2]黨大偉，武建新，楊曉軍.基于PMAC-PCI運動控制器的PID 整定[J].機械工程與自動化，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].機械設(shè)計與制造，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

南平市科技局項目(項目編號:N2009Z10-4)。

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