种高速伺服系统的精确控制策略

本文针对高速伺服系统的精确控制问题，介绍了一种模糊PID控制策略。此控制策略应用于工业缝纫机的电磁离合器电机伺服系统的控制之中，取得了良好的控制结果，并与PID组合控制，分段PID控制的工业缝纫机的控制结果进行了比较。
    工业自动化中广泛采用的PID控制，对于非线性，大时滞，强耦合等被控对象控制效果并不理想，也就是说，PID控制器对不同的对象要用不同的参数，而且调整不方便，抗干扰能力差，超调量大；模糊控制的局限性在于它的控制作用只能按挡处理，是一种非线性控制，控制精度不高，存在静态误差，一般在语言变量偏差趋于零时有振荡。这样，将PID控制的优点(控制精度高) 和模糊控制的优势(不依赖于被控对象的数学模型，设计算法简单，易于实现，能够直接从操作者的经验归纳，优化而得到，且适应能力好，抗干扰能力强，鲁棒性好) 相结合，组成一种复合控制器，即模糊PID控制器。实验证明在高速伺服系统中取得了良好的效果。

    一、模糊PID控制原理

    1. PID参数Fuzzy自整定控制原理

    PID参数Fuzzy自整定控制是利用模糊控制器对PID控制器进行参数的在线自整定。其过程是：先找出PID三参数和误差与误差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测误差和误差变化，再根据模糊控制原理对上述三参数进行在线修改，以满足不同误差和误差变化时对控制器参数的不同要求。
    2. PID参数Fuzzy整定策略

    一般情况下，在不同|E|，|EC|下被控过程对参数kp，ki与kd的自整定要求可归结为：

    当|E|较大时，为使系统具有良好的快速跟踪性能，避免因E瞬间变化大而引起微分饱和，应取较大的kp与较小的kd。为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取ki= 0；根据实际情况也可直接采取P控制。

    当|E|处于中等大小时，为了减小系统的超调同时保证系统的响应速度，kp应取得小些；ki的取值要适当；在这种情况下，kd的取值对系统响应的影响较大，一般取值经验为：|EC|较大时，kd可取稍小；|EC|较小时，kd可取稍大。实际中也可直接采用PD控制。

    当|E|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，提高系统的抗干扰性，避免系统振荡，kp与ki均应取得大些。同时为避免系统在设定值附近出现振荡，kd值的选择很关键，可根据|EC|来决定，当|EC|较大时，kd可取稍小；|EC|较小时，kd可取稍大。

    二、P-FUZZY- PI多模多段控制器

    P-FUZZY- PI多模多段控制器是根据不同的条件和要求分段用不同模式进行控制，即当误差大于某一阀值时，用比例控制，以提高系统的响应速度，加快响应过程；当误差小于某一阀值时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼特性，减小响应过程的超调；当误差达到平衡点附近时，采用PI控制，利用其积分作用的特点最终消除误差。

    三、模糊PID控制在缝纫机中的应用

    1. 工业缝纫机伺服控制系统简介

    工业缝纫机控制系统需要精确定位。无级调速的伺服系统。整个系统由电磁离合器电机(亦称电磁调速异步电动机)、与缝纫机机械部分相关的功能电磁阀、主控电路板，测速反馈板、脚踏板控制指令接口板和电源板等组成。

其中，内闭环为速度环，外闭环为位置环。控制算法1用于电磁离合器电机调速，控制算法2用于电磁离合器电机的精确定位。被控对象电磁离合器电机的基本调速方式为PWM调速。其技术指标中最重要的是定位精度。通常工缝机的最高转速可达到5000 转。在如此高的速度下要求其迅速，精确定位，定位精度最大不能超过-5mm - 5mm。因为随后的剪线和挑线劝作都是依赖于其精度的，倘若定位不准，很可能会发生打针的现象。

2. 工业缝纫机系统控制器算法
    当只采用PID控制时，存在以下问题：

    (1) 死区太大。当积分常数很小时，控制精度差，控制不平稳。如果积分时间常数太大，又会引起大的超调，震荡，过渡过程长，控制精度也难以保证。

    (2) 定位精度差。给参数的确定带来很大困难。

    当用分段PID控制，将系统速度分为5 段，每段分别用不同的PID参数，控制效果能达到满意的效果，可是对所有的点还不能完全满足精确的要求，而且，随着硬件温度上升，精确性变得更差。

    由于以上原因，最终制定控制器的算法方案为：当系统偏差较小时，采用参数自整定PID控制；当系统出现较大的偏差时，切换为模糊控制。

    3. 实验结果对比

    使用三种控制策略的缝纫机定位精度对比见表1，此时缝纫机转速为2000 r/min。

    四、结论

    综合试验结果可以看出：模糊PID控制能使系统响应快且无超调，有更强抗负载扰动能力，具备更强的鲁棒性。该模糊PID控制器经过调试、运行，表明有快速反应和消除静差的作用，满足了高速伺服系统的定位精度要求。

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