CN102981404A - 运动控制pid参数的快速调节方法 - Google Patents

Abstract

一种运动控制PID参数的快速调节方法，涉及激光设备的运动平台中X、Y两轴电机，基于衰减曲线法、趋势读定法和经验试凑法的PID参数快速整定方法，通过被控对象单位阶跃响应曲线呈现出的性能参数计算出K_p、K_i、K_d的参考值，然后根据变化趋势和工程经验进行进一步微调，最终确定出适合系统的最佳参数，其优点是解决PID参数调节中过度依赖工程经验，时间长、难以精确控制的缺陷，进而大大提高整定效率和电机运动控制质量。

Description

运动控制PID参数的快速调节方法

【技术领域】

本发明涉及桌式的工作台；涉及用于放置工件的台座，在台座上操作工作；涉及激光加工的运动控制，尤指一种运动控制PID参数的快速调节方法。

【背景技术】

激光设备中的运动平台由X、Y两轴电机组成，其运动控制的质量高低直接决定加工效率和加工精度的高低。PID控制算法作为一种传统的控制策略广泛应用其中，然而其调节过程的繁琐、过度依赖经验和调节结果的不确定使工程人员无所适从。

【发明内容】

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能缩短整定时间，提高调节效率的运动控制PID参数的快速调节方法。

本发明旨在提出一种基于衰减曲线法、趋势读定法和经验试凑法的PID参数快速整定方法，通过被控对象单位阶跃响应曲线呈现出的性能参数计算出K_p、K_i、K_d的参考值，然后根据变化趋势和工程经验进行进一步微调，最终确定出适合系统的最佳参数，

控制器内采用PID控制算法：

$u\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

$=K_P[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

K_P：比例系数；K_i：积分系数；K_d：微分系数

T_i：积分时间；T_d：微分时间

由此公式不难看出K_i＝K_p/T_i，K_d＝K_p·T_d，在进行PID参数整定时，可以先确定比例系数，然后确定出积分时间与微分时间，便可以确定出PID参数的参考值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种运动控制PID参数的快速调节方法，涉及激光设备的运动平台中X、Y两轴电机，其特征在于包括如下步骤：

一、给系统单位阶跃信号，首先根据经验选取一个较大的K_p值，而设置T_i为无穷大，T_d为零，即K_i＝K_d＝0，得出此时系统的单位阶跃响应曲线(近似为图2所示)：

二、由大到小逐渐减少K_p的值，直至出现(M1-1)∶(M2-1)＝4∶1的衰减比位置，几下此时的K_p值P₁，并从此时的单位阶跃响应曲线上读取衰减周期T_i；(M1值为第一个波峰的值；M2为第二个波峰的值，期望输出在单位阶跃响应下为1)

三、对于上一步骤如果难以读定衰减比为4∶1的情况，则可近似认定波动两次达到稳定状态的曲线即可认定为衰减比为4∶1的衰减过程；

四、根据P_l和T_l由以下公式确定出K_p、T_i、T_d的参考值：

K_p＝0.8·P₁；T_i＝0.3·T₁；T_d＝0.1·T₁

进而确定出K_i、K_d的值：K_i＝K_p/T_i，K_d＝K_p·T_d

由以上步骤确定出参考值后，进一步的微调，此时根据曲线的趋势读定误差e和误差的变化率ec的变化按照如下四条规则进行微调：

(1)当e＞0，ec＜0且e很大时，为保持快速反应，使误差绝对值以最大速度减小，应取较大kp，较小ki与kd；随着e的减小，为防止超调过大，应减小kp、ki，甚至取消ki，同时增加kd；

(2)当e＜0，ec＜0时，系统处于超出稳态且偏差增大的阶段，为降低超调，应取较大kd，较小ki与kp；

(3)当e＜0，ec＞0时，系统处于趋于稳态的阶段，为提高响应速度，应取较大kp以快速进入稳态，又为减小超调，应加大kd，减小ki，避免积分超调带来的振荡；

(4)当e＞0，ec＞0时，系统出现下超调，偏差向增大的方向变化时应取较大kd；而偏差达到最大值趋于稳态值时，应减小kd，增大kp与ki。

本发明的有益效果是：通过以上衰减度法和趋势读定法的综合应用便可以解决PID参数调节中过度依赖工程经验，时间长、难以精确控制的缺陷，进而大大提高整定效率和电机运动控制质量。

【附图说明】

图1是本发明的系统控制框图。

图2是未整定参数前系统单位阶跃响应曲线图。

Claims (1)

1.一种运动控制PID参数的快速调节方法，涉及激光设备的运动平台中X、Y两轴电机，其特征在于包括如下步骤：

一、给系统单位阶跃信号，首先根据经验选取一个较大的K_p值，而设置T_i为无穷大，T_d为零，即K_i＝K_d＝0，得出此时系统的单位阶跃响应曲线；

二、由大到小逐渐减少K_p的值，直至出现(M1-期望输出)∶(M2-期望输出)＝4∶1的衰减比位置，几下此时的K_p值P₁，并从此时的单位阶跃响应曲线上读取衰减周期T₁；

三、对于上一步骤如果难以读定衰减比为4∶1的情况，则可近似认定波动两次达到稳定状态的曲线即可认定为衰减比为4∶1的衰减过程；

四、根据P₁和T₁由以下公式确定出K_p、T_i、T_d的参考值：

K_p＝0.8·P₁；T₁＝0.3·T₁；T_d＝0.1·T₁

进而确定出K_i、K_d的值：K_i＝K_p/T_i，K_d＝K_p·T_d

由以上步骤确定出参考值后，进一步的微调，此时根据曲线的趋势读定误差e和误差的变化率ec的变化按照如下四条规则进行微调：

(1)当e＞0，ec＜0且e很大时，为保持快速反应，使误差绝对值以最大速度减小，应取较大kp，较小ki与kd；随着e的减小，为防止超调过大，应减小kp、ki，甚至取消ki，同时增加kd；

(2)当e＜0，ec＜0时，系统处于超出稳态且偏差增大的阶段，为降低超调，应取较大kd，较小ki与kp；

(3)当e＜0，ec＞0时，系统处于趋于稳态的阶段，为提高响应速度，应取较大kp以快速进入稳态，又为减小超调，应加大kd，减小ki，避免积分超调带来的振荡；

(4)当e＞0，ec＞0时，系统出现下超调，偏差向增大的方向变化时应取较大kd；而偏差达到最大值趋于稳态值时，应减小kd，增大kp与ki。

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