CN106338911A - 一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家pid控制方法 - Google Patents

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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
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    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.

Abstract

一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法，位置环PID控制如下：(1)将回转式机电作动器伺服系统阶跃响应分为作用响应期，超调上升期，超调下降期，作用下降期；建立专家规则库，该专家规则库表征各时域阶段的比例、积分、微分系数调整率关系，该调整率与位置误差及误差变化率有关；(2)形成控制误差与控制误差变化率；(3)根据控制误差与控制误差变化率判断处在伺服系统阶跃响应哪个时域阶段，并查询专家规则库，形成比例系数调整率、积分系数调整率、与微分系数调整率；(4)利用上述结果对比例、积分、微分系数进行实时修正，产生位置环输出，经速度环、电流环，作用于回转式机电作动器，产生机械运动输出。

Description

一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法，属于伺服控制领域。
背景技术
回转式机电作动器配套于机电伺服系统，回转式机电伺服作动器为典型的高阶多变量强耦合非线性系统，要求伺服系统具有动态响应高、超调性小、系统稳定，抗干扰性强特点。
经典的PID控制率应用于回转式机电作动器此类高阶多变量强耦合非线性系统时，很难调和快速性与超调性、稳定性与抗干扰性之间的矛盾：应用经典PID控制律时，当动态响应高时，系统超调性会增大，系统稳定性增强时，抗干扰性会降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法。
本发明的技术解决方案是：一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法，包括位置环PID控制、速度环P控制和电流环PI控制三部分，其特征在于位置环PID控制通过下述方式实现：
(1)将回转式机电作动器伺服系统阶跃响应分为四个时域阶段，具体为作用响应期：时间0～t1，超调上升期：时间t1～t2，超调下降期：时间t2～t3，作用下降期：时间t3～t4；
建立专家规则库，该专家规则库表征各时域阶段的比例、积分、微分系数调整率关系，该调整率与位置误差及误差变化率有关；
(2)将回转式机电作动器伺服系统输出的位置控制指令r(t)与电位计反馈的机电作动器的位移数据作差，形成控制误差与控制误差变化率；
(3)根据控制误差与控制误差变化率判断处在步骤(1)中确定的伺服系统阶跃响应哪个时域阶段，并查询专家规则库，形成比例系数调整率△kp、积分系数调整率△ki、与微分系数调整率△kd；
(4)利用上述得到的比例、积分、微分系数调整率对比例、积分、微分系数进行实时修正，产生位置环输出，经速度环、电流环，作用于回转式机电作动器，产生机械运动输出u(t)。
所述的作用响应期：e(t)>0，de/dt>0；超调上升期：e(t)<0，de/dt>0；超调下降期：e(t)>0，de/dt<0；作用下降期：e(t)<0，de/dt<0；其中e(t)代表误差，de/dt代表误差变化率。
所述的专家规则库如下表：
kp比例系数调整率Δkp：
ki比例系数调整率Δki：
kd比例系数调整率Δkd
本发明与现有技术相比有益效果为：
[1]、根据专家PID控制方法对大功率、高动态回转式机电作动器的控制经验进行总结形成专家规则库
[2]、将该专家规则库与传统PID控制相结合，根据伺服反馈位移及位移误差的变化率形成灵活多变的控制率，有效的优化系统快速性和超调、抗干扰性和稳定性之间的矛盾，获得了良好的控制效果。试验表明，当应用于该机电作动器时，系统单位阶跃响应动态性提高23％，超调性降低18％。在额定转速时，突加额定负载扰动时，系统在保证稳定性的前提下恢复至稳态时间提高了15％。
[3].该专家PID控制算法简洁易，编程简单，无需增加额外的硬件与传感器，在优化控制效果的同时不增加硬件成本。
附图说明
图1应用回转式机电作动器的伺服系统框图；
图2专家PID控制方法框图；
图3伺服系统阶跃响应各时域阶段图。
具体实施方式
如下面结合附图对本发明进行说明。
如图1所示，应用回转式机电作动器的伺服由控制器101、驱动电路102、回转机电作动器103、电源104组成。其中控制器内部由位置环专家PID108、速度环109、电流环110组成，回转式机电作动器由电机105、旋转编码器106、电位计107组成。控制器101接收上位机指令，并接收旋转编码器106、电位计107、电流传感器111、112反馈回来的位移、速度、电流信息，完成位置环108、速度环109、电流环110三环控制，产生PWM控制率，经驱动电路102进行功率放大，用于驱动回转式机电作动器103进行往复运动，完成由电源104提供的电能到机械能的变换。
如图2所示，专家PID控制方法主要由专家规则库209、PID控制202、比例系数变化率△kp210、积分系数调整率△ki211、微分系数调整率△kd212组成。控制指令r(t)201与电位计反馈的位移数据206作差，形成控制误差e(t)207与控制误差变化率de/dt208，根据控制误差207与控制误差变化率208判断处在伺服阶跃响应不同时域阶段各阶段，并查询专家规则库209，形成比例系数调整率△kp210、积分系数调整率△ki211、与微分系数调整率△kd212，该比例、积分、微分系数调整率作用于经典PID控制202，通过对比例、积分、微分系数在一定范围内的实时修正，产生位置环输出，经速度环、电流环203，作用于回转式机电作动器204，产生机械运动输出u(t)203。
如图3所示，回转式机电伺服系统阶跃响应一般由作用响应期时间0～t1，编号301，此时e(t)>0，de/dt>0，超调上升期时间t1～t2，编号302，此时e(t)<0，de/dt>0，超调下降期时间t2～t3，编号303，此时e(t)>0，de/dt<0，作用下降期时间t3～t4，编号304，此时e(t)<0，de/d<0。
比例系数变化率△kp210变化率：在作用响应期301，当误差e(t)207大于等于e(t)(t＝0)的0.5倍时，△kp210为kp的0.2倍，(kp+△kp)210较大以保证伺服系统有较快的响应速度，当误差e(t)207由e(t)(t＝0)初始值的0.5倍逐渐下降到0时，△kp210由kp的0.3倍线性下降到kp的-0.3倍，以保证kp+△kp210逐渐减小以减小超调。在超调上升期302，△kp210为kp的0.3倍，(kp+△kp)210较大以增强反向控制作用，减少超调。在超调下降期303与作用下降期304，在|e(t)207|大于等于e(t)(t＝0)的0.2倍时,△kp210为kp的0.3倍，(kp+△kp)210较大以增加反向控制作用，使系统尽快恢复稳态，|e(t)|207小于e(t)(t＝0)的0.2倍并逐渐下降到0时，△kp210由从kp的0.3倍下降到kp的-0.3倍，kp+△kp(210)应较小，使系统减少超调。
积分系数变化率△ki 211变化率:|e(t)|207大于等于e(t)(t＝0)的0.3倍时至e(t)(t＝0)时，△ki 211由0线性减小到ki的-0.2倍，ki+△ki211逐渐减小，防止产生积分饱和，在|e(t)|207小于e(t)207(t＝0)的0.3倍时至0时，△ki211由0线性增加到ki的0.2倍，ki+△ki211逐渐变大，以尽快消除误差。
微分系数△kd变化率212变化率:在作用响应期301，△kd212由kd的-0.2倍线性增加到kd的0.2倍，(kd+△kd)212逐渐增大在保证快速性的同时抑制超调的产生，在超调上升期302，△kd继续线性增加到kd的0.3倍，kd+△kd212继续增大，以抑制超调。在t2时刻，△kd由kd的0.3变为-0.2倍，在超调下降期303，△kd由kd的-0.2倍线性增加到kd的0.2倍，在作用下降期304，△kd继续线性增加到kd的0.3倍，作用为在保证快速性的同时抑制超调的产生(经实测本回转式机电作动器伺服系统超调上升期302、超调下降期303、作用下降期304间误差e(t)的绝对值不大于e(t＝0)的0.3倍)。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法，其特征在于：包括位置环PID控制、速度环P控制和电流环PI控制三部分，其特征在于位置环PID控制通过下述方式实现：
(1)将回转式机电作动器伺服系统阶跃响应分为四个时域阶段，具体为作用响应期：时间0～t1，超调上升期：时间t1～t2，超调下降期：时间t2～t3，作用下降期：时间t3～t4；
建立专家规则库，该专家规则库表征各时域阶段的比例、积分、微分系数调整率关系，该调整率与位置误差及误差变化率有关；
(2)将回转式机电作动器伺服系统输出的位置控制指令r(t)与电位计反馈的机电作动器的位移数据作差，形成控制误差与控制误差变化率；
(3)根据控制误差与控制误差变化率判断处在步骤(1)中确定的伺服系统阶跃响应哪个时域阶段，并查询专家规则库，形成比例系数调整率△kp、积分系数调整率△ki、与微分系数调整率△kd；
(4)利用上述得到的比例、积分、微分系数调整率对比例、积分、微分系数进行实时修正，产生位置环输出，经速度环、电流环，作用于回转式机电作动器，产生机械运动输出u(t)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的作用响应期：e(t)>0，de/dt>0；超调上升期：e(t)<0，de/dt>0；超调下降期：e(t)>0，de/dt<0；作用下降期：e(t)<0，de/dt<0；其中e(t)代表误差，de/dt代表误差变化率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的专家规则库如下表：
kp比例系数调整率Δkp：
ki比例系数调整率Δki：
kd比例系数调整率Δkd
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