基于UMAC运动控制器的PID参数调节
5.3基于umac运动控制器的pid参数调节
准确的调节pid各参数可实现系统在高速运行的条件下，能够快速的做出响 应且不超调；机床在速度低的情况下，不产生“爬行“现象。
pid参数整定主要有两种方法：理论计算法和试凑法[28]。理论计算法主要是 根据建立的数学模型，通过大量的理论计算确定各参数，计算得到的数据还必须 通过进行实验并加以修改，而试凑法可以根据工程经验，直接在控制系统上进行 实验，通过观察响应曲线，根据算法控制原理不断的调整pid参数，直到得到理 想运动的控制参数值。对于系统模型不容易建立的情况，试凑法相对简单，易于 掌握，因此工程常采用第二种方法调节pid参数值。umac提供了一种调节pid 的软件pmac tuning pro,该软件通过运行简单的运动命令，收集响应数据，绘制 曲线，为调整pid反馈参数提供依据。该软件提供了 7种信号源，包括阶跃信号， 抛物线信号等，用户还可以自定义信号。在这几种信号中阶跃信号是差的激励 信号，抛物线信号会引起跟随误差，影响系统的稳定性。一般情况下，位置阶跃 信号和抛物线速度信号在系统进行动态调节时经常被使用。
5.3.1 umac中pid反馈参数调节
对于伺服系统中pid反馈调节，课题中选用试凑法，选择了阶跃信号（position step)调节kp、ki，kd。由于速度和加速度前馈对系统的阶跃响应无影响，因此 在阶跃响应调节时，令kvff=0, kaff=0[28]。系统的动态性能的好坏可以反映在控 制系统阶跃响应曲线上，而评定系统阶跃响应性能的指标有超调量(over shoot)、 上升时间(rise time)和稳态时间(settling time)[55]。响应曲线接近理想曲线，而且上 升时间和稳态时间尽可能短，大超调量尽可能的小是调试人员的调试目标。
pmac tumng pro软件提供了两种调节方式手动和自动调整。自动调整适合刚 性好的系统，如电机和负载采用刚性连接。若在系统刚性不是很好的情况下，进行自动整定会产生由于电机剧烈震荡所引发的危险，所以pid调节常采用的方法 是手动调节，其调节步骤如下：
1.首先检查pewin执行软件与umac是否建立通讯、伺服系统是否已连接 正常及电机的控制方式。由于课题的数控系统采用的是闭环控制，通过 pewin32pro输入在线命令“#xxj/”，保证各电机处于闭环状态下。也可以使用 在线命令#n?查询电机的状态，若返回字为812xxxx则表示电机处于闭环状态； 若返回字为85xxxx则表示电机处于开环状态[4()]。
2.双击选择pmac tuning pro,选择电机号，以#3为例进行调节，选择inter 进入手动调整界面，调整界面如图5.4所示。
在界面中“trajectory selection”栏中选择阶跃信号（position step)，并设置 ixx31=0，ixx33=0，im=1，前馈控制参数 ixx32=0，ixx35=0。此时 pid 反馈控制为纯比例控制，设定比例增益（ixx30)的值从系统默认值（2000)逐渐增大。当 ixx30=4000时阶跃响应曲线如图5.5所示，从图中可以看出系统反应迟钝。继续加 大ixx30的值，从阶跃响应曲线的变化可以看出比例增益可以提高系统的响应速 度，使得响应曲线越来越接近阶跃曲线，但超调量逐渐增大。当ixx30=40000时阶 跃响应曲线如图5.6所示，在图中可以看出超调量比较大，而且出现了震荡现象， 此时系统稳定性不好。对于这种情况应减小ixx30的值或增大ixx31的值，用于减小超调量和减轻系统的震荡。在调节中，选择了保持
3.在保持不改变其他参数的情况下，增加微分增益（ixx31)，在调整过程中， 从响应曲线可以看出ixx31逐渐增大，超调量逐渐减小，系统的稳定性提高。在阶 跃响应曲线图5.7中可以看出，超调量为0.0%,，震荡消失。
4.在保持比例增益ixx30和微分增益ixx31不变，其他参数也不改变的情况 下，调整积分增益ixx33，当ixx33=200时响应曲线与阶跃信号重合，图5.8为理 想阶跃响应曲线，此时曲线上升时间为0.020s，峰值时间为0.040s，超调量为0.0%， 阻尼为1.0。
5.3.2控制系统速度/加速度前馈参数整定
在伺服系统调试中，常采用抛物线速度信号来调整系统的速度和加速度前馈 增益。引入合适的前馈增益可以减小或消除跟随误差，反之，则增大跟随误差。 在umac中速度增益和加速度增益分别对应ixx32和ixx35，首先调整速度增益
ixx32,设ixx35=0,其它增益参数保持不变。在图5.4中的“trajectory selection” 栏中选择抛物线速度信号（parabolic velocity)，点击do aparabolic move。在 ixx32=0，ixx35=0时抛物线响应曲线如图5.9，从图中可以看出其跟随误差很大，图中绿色曲线代表跟随误差。
逐渐增大ixx32的值，跟随误差逐渐减小再逐渐增大，当ixx32=5500时，抛 物线曲线如图5.10所示，此时的速度反馈偏大，应小幅度减小ixx32的值，当 ixx32=4700时跟随误差小，如图5.11抛物线响应曲线（速度前馈值）所示。
速度前馈ixx32调试稳定后，ixx32和其他参数同样保持不变，增大加速度前馈ixx35,观察抛物线响应，由于ixx35对跟随误差的影响效果不大，所以应以1000为单位增加ixx35。当跟随误差分布在零线附近时，跟随误差值小，稳定性好。通过不断的调整，在ixx35=20000处达到理想的抛物线速度曲线如图5.12所示。
若系统存在谐振，可调节notch滤波器，减小谐振现象。其调节过程：找出系统的共振频率，设定带阻和带通滤波器的自然频率和阻尼系数，通过notchhltercalculator窗口可计算其对应nl、n2、dl、d2的值，其计算窗口如图5.13所示。
滤波器中各参数之间相互，通过计算得到的参数，需要进行微调，以达到的控制性能，满足加工需求。
5.4本章小结
本章首先介绍了 pid控制原理，各参数的作用。然后介绍了系统中umac提 供的“反馈+前馈+陷波滤波器“控制算法，对其控制原理及相关参数进行了分析， 根据控制原理在实验台上对系统的pid各参数进行了整定。在调节过程采用阶跃 信号调节pid反馈参数，使用抛物线速度控制信号调整速度前馈和加速度前馈控 制参数，通过手动试凑法进行调节，获得了理想的响应曲线。
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5.3.1 umac中pid反馈参数调节
对于伺服系统中pid反馈调节，课题中选用试凑法，选择了阶跃信号（position step)调节kp、ki，kd。由于速度和加速度前馈对系统的阶跃响应无影响，因此 在阶跃响应调节时，令kvff=0, kaff=0[28]。系统的动态性能的好坏可以反映在控 制系统阶跃响应曲线上，而评定系统阶跃响应性能的指标有超调量(over shoot)、 上升时间(rise time)和稳态时间(settling time)[55]。响应曲线接近理想曲线，而且上 升时间和稳态时间尽可能短，大超调量尽可能的小是调试人员的调试目标。
pmac tumng pro软件提供了两种调节方式手动和自动调整。自动调整适合刚 性好的系统，如电机和负载采用刚性连接。若在系统刚性不是很好的情况下，进行自动整定会产生由于电机剧烈震荡所引发的危险，所以pid调节常采用的方法 是手动调节，其调节步骤如下：
1.首先检查pewin执行软件与umac是否建立通讯、伺服系统是否已连接 正常及电机的控制方式。由于课题的数控系统采用的是闭环控制，通过 pewin32pro输入在线命令“#xxj/”，保证各电机处于闭环状态下。也可以使用 在线命令#n?查询电机的状态，若返回字为812xxxx则表示电机处于闭环状态； 若返回字为85xxxx则表示电机处于开环状态[4()]。
2.双击选择pmac tuning pro,选择电机号，以#3为例进行调节，选择inter 进入手动调整界面，调整界面如图5.4所示。
在界面中“trajectory selection”栏中选择阶跃信号（position step)，并设置 ixx31=0，ixx33=0，im=1，前馈控制参数 ixx32=0，ixx35=0。此时 pid 反馈控制为纯比例控制，设定比例增益（ixx30)的值从系统默认值（2000)逐渐增大。当 ixx30=4000时阶跃响应曲线如图5.5所示，从图中可以看出系统反应迟钝。继续加 大ixx30的值，从阶跃响应曲线的变化可以看出比例增益可以提高系统的响应速 度，使得响应曲线越来越接近阶跃曲线，但超调量逐渐增大。当ixx30=40000时阶 跃响应曲线如图5.6所示，在图中可以看出超调量比较大，而且出现了震荡现象， 此时系统稳定性不好。对于这种情况应减小ixx30的值或增大ixx31的值，用于减小超调量和减轻系统的震荡。在调节中，选择了保持
3.在保持不改变其他参数的情况下，增加微分增益（ixx31)，在调整过程中， 从响应曲线可以看出ixx31逐渐增大，超调量逐渐减小，系统的稳定性提高。在阶 跃响应曲线图5.7中可以看出，超调量为0.0%,，震荡消失。
4.在保持比例增益ixx30和微分增益ixx31不变，其他参数也不改变的情况 下，调整积分增益ixx33，当ixx33=200时响应曲线与阶跃信号重合，图5.8为理 想阶跃响应曲线，此时曲线上升时间为0.020s，峰值时间为0.040s，超调量为0.0%， 阻尼为1.0。
5.3.2控制系统速度/加速度前馈参数整定
在伺服系统调试中，常采用抛物线速度信号来调整系统的速度和加速度前馈 增益。引入合适的前馈增益可以减小或消除跟随误差，反之，则增大跟随误差。 在umac中速度增益和加速度增益分别对应ixx32和ixx35，首先调整速度增益
ixx32,设ixx35=0,其它增益参数保持不变。在图5.4中的“trajectory selection” 栏中选择抛物线速度信号（parabolic velocity)，点击do aparabolic move。在 ixx32=0，ixx35=0时抛物线响应曲线如图5.9，从图中可以看出其跟随误差很大，图中绿色曲线代表跟随误差。
逐渐增大ixx32的值，跟随误差逐渐减小再逐渐增大，当ixx32=5500时，抛 物线曲线如图5.10所示，此时的速度反馈偏大，应小幅度减小ixx32的值，当 ixx32=4700时跟随误差小，如图5.11抛物线响应曲线（速度前馈值）所示。
速度前馈ixx32调试稳定后，ixx32和其他参数同样保持不变，增大加速度前馈ixx35,观察抛物线响应，由于ixx35对跟随误差的影响效果不大，所以应以1000为单位增加ixx35。当跟随误差分布在零线附近时，跟随误差值小，稳定性好。通过不断的调整，在ixx35=20000处达到理想的抛物线速度曲线如图5.12所示。
若系统存在谐振，可调节notch滤波器，减小谐振现象。其调节过程：找出系统的共振频率，设定带阻和带通滤波器的自然频率和阻尼系数，通过notchhltercalculator窗口可计算其对应nl、n2、dl、d2的值，其计算窗口如图5.13所示。
滤波器中各参数之间相互，通过计算得到的参数，需要进行微调，以达到的控制性能，满足加工需求。
5.4本章小结
本章首先介绍了 pid控制原理，各参数的作用。然后介绍了系统中umac提 供的“反馈+前馈+陷波滤波器“控制算法，对其控制原理及相关参数进行了分析， 根据控制原理在实验台上对系统的pid各参数进行了整定。在调节过程采用阶跃 信号调节pid反馈参数，使用抛物线速度控制信号调整速度前馈和加速度前馈控 制参数，通过手动试凑法进行调节，获得了理想的响应曲线。
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