某驅(qū)動步進電動機增量PID控制研究

曹平軍曲林偉王強，3劉峰

（1.91257部隊舟山316000）（2.中船重工第七〇三研究所哈爾濱150078）（3.海軍工程大學(xué)武漢430030）（4.海軍蚌埠士官學(xué)校蚌埠233000）

某驅(qū)動步進電動機增量PID控制研究

曹平軍1曲林偉2王強1，3劉峰4

（1.91257部隊舟山316000）（2.中船重工第七〇三研究所哈爾濱150078）（3.海軍工程大學(xué)武漢430030）（4.海軍蚌埠士官學(xué)校蚌埠233000）

論文以某驅(qū)動步進電動機控制模型為研究對象，分別采用普通量PID（Proportional-Integral-Derivative）控制和增量式PID控制對該電動機進行控制，選定合適的控制參數(shù)，通過計算控制響應(yīng)曲線及其與給定值的誤差來研究控制策略的影響，確定合適的控制策略。

增量式PID控制；控制策略；驅(qū)動電動機

Class NumberTP273

1 引言

目前工程實際應(yīng)用中大多數(shù)設(shè)備的控制系統(tǒng)均采用位置式比例－積分－微分（Proportional-In?tegral-Derivative，PID）控制，這種算法主要有兩個缺點：1）使用全量輸出，所以每次的輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，受到干擾或有錯誤輸入時，被控量要進行累加，運算量大，也會導(dǎo)致輸出控制量可能出現(xiàn)大幅度變化，進而會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。2）控制設(shè)備容易產(chǎn)生超調(diào)，而對某些設(shè)備基本不允許有超調(diào)量的存在，否則會對設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞。一般我們要求控制系統(tǒng)，響應(yīng)時間快，超調(diào)小，控制平穩(wěn)，而這些對幾個參數(shù)要求是相互矛盾的，如何確定其中的最優(yōu)值是我們要確定的目標(biāo)。而增量式PID控制，主要通過控制增量對系統(tǒng)進行控制，響應(yīng)時間相對比較快，而且與過去的狀態(tài)無關(guān)，被控量不會累加，超調(diào)量會比較小。文獻［1～10］對該算法的應(yīng)用都做了應(yīng)用研究，但是其中算法的研究和合適參數(shù)的范圍的選取尚未深入考慮。

本文以某驅(qū)步電動機控制策略仿真模型為研究對象，采用增量式PID控制方法并與普通PID控制策略做對比，研究不同控制策略對系統(tǒng)響應(yīng)時間和超調(diào)量等對設(shè)備的影響，通過控制響應(yīng)曲線和計算誤差，研究增量式PID控制優(yōu)勢。

2 增量式PID控制原理

PID控制作為常用的控制器，廣泛應(yīng)用在設(shè)備的控制策略中，PID控制是一種線性控制器，它根據(jù)給定值yd(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差：

PID的控制規(guī)律為

式中：kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

而當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要控制增量時，應(yīng)當(dāng)采用增量式PID控制。

根據(jù)遞推原理可得增量式PID控制策略：

寫成傳遞函數(shù)的形式為

增量式PID控制算法

其中kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分環(huán)節(jié)。

3 某驅(qū)動步進電動機仿真研究

選取參數(shù)持kp=8，ki=0.1，kd=10，當(dāng)系統(tǒng)是普通PID控制時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線和誤差曲線如圖1所示。

當(dāng)保持ki=0.1，kd=10，kp=8參數(shù)不變，選擇增量式PID控制策略時，可得系統(tǒng)的響應(yīng)曲線和誤差曲線如圖2所示。

從圖1，2可以看出，當(dāng)選取參數(shù)在kp=8，ki= 0.1，kd=10時，增量式PID控制，不會產(chǎn)生超調(diào)，而是逐步地逼近理想給定參數(shù)，而普通PID控制會產(chǎn)生波動，容易上下浮動，產(chǎn)生超調(diào)，而由于超調(diào)量的存在，會對設(shè)備產(chǎn)生產(chǎn)生巨大的破壞或由于超扭等因素而出現(xiàn)緊急停機的現(xiàn)象，因此增量式PID控制比普通PID控制更適合。

4 結(jié)語

合適的控制參數(shù)是保證控制平穩(wěn)的關(guān)鍵，本文選定參數(shù)保持不變，在選擇不同的控制策略時，增量式PID比普通PID控制不容易產(chǎn)生超調(diào)，平穩(wěn)逼近到給定參數(shù)，更適合驅(qū)步電動機設(shè)計要求，應(yīng)用更加合理。

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Incremental PID Control Strategy Study of Some Drive Stepping Motor

CAO Pingjun1QU Linwei2WANG Qiang1，3LIU Feng4
（1.No.91257 Troops of PLA，Zhoushan316000）（2.703 Research Institute，CSIC，Harbin150078）（3.Naval University of Engineering，Wuhan430033）（4.The Bengbu Naval School of Petty Officer，Bengbu233000）

In this paper，the drive motor control model is studied as the research object，the incremental PID（Proportional In?tegral Derivative）control method is used to control the motor，and the calculating control response curve and the error of the given value are used to research the influence of different parameters on the control strategy and determine the appropriate control strategy.

incremental PID control，control strategy，drive motor

TP273

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.039

2017年2月9日，

2017年3月28日

國家自然科學(xué)基金的資助（編號：51579242）；科研項目（編號：425517K143）資助。

曹平軍，男，高級工程師，研究方向：裝備管理。曲林偉，男，碩士，工程師，研究方向：控制理論策略。王強，男，博士，工程師，研究方向：艦艇動力裝置。劉峰，男，工程師，研究方向：機電管理。