基于積分分離PID控制的交流伺服系統

　　1、引言
　　
　　本文針對PID控制的特點，設計了一種積分分離的控制方法，即當系統誤差較大時，取消積分環節，避免由于積分累積引起系統較大的超調;當系統誤差較小時，引入積分環節，以消除誤差，提高控制精度。將這種積分分離PID控制應用于交流伺服系統的位置實時控制，從而使控制過程的靜態、動態性能指標較為理想。
　　
　　2、系統結構設計
　　
　　積分分離PID控制交流伺服系統結構如圖1所示。圖中θd為給定角位移，θ為電機轉軸的實際角位移，e為θd和θ進行比較而得到的偏差，則有：　　
　　圖1中，u為PID控制的轉速期望值;ωd為期望電機轉速;ω為實際電機轉速;ωd與ω的偏差經過轉速調節器產生期望的電機電磁轉矩Td由于內環的不足可由外環控制來彌補，所以轉速調節器采用一般的PI調節器即可，而電機的電磁轉矩控制則采用直接轉矩控制方法。　　
　　3、積分分離PID控制器
　　
　　PID控制是一種技術成熟、應用廣泛的控制方法，其結構簡單，而且對大多數過程均有較好的控制效果。其離散PID控制規律為：　　
　　式中，u（k）為k時刻控制器的輸出量;KP，KI，KD分別為比例系數，積分系數和微分系數;e（K）為當前時刻的交流伺服系統的位置與期望值之差;e（k-1）為上次采樣時刻的交流伺服系統的位置與期望值之差。
　　
　　由式（2）可得到控制器輸出第k個周期時刻的控制量u（k）和第k-1個周期時刻的控制量u（k-1）之間的增量為：　　
　　在PID控制中，積分環節的作用是消除靜態誤差，提高系統的控制精度。如果在誤差較大的初始階段引入積分環節，會造成：PID的積分累積，從而引起系統較大的超調。因此，本文針對PID控制的特點，設計了一種積分分離的控制方法，積分分離PID控制算法的程序框圖如圖2所示。　　
　　當系統誤差較大時，取消積分環節，采用PD控制，避免由于積分累積引起系統較大的超調;當系統誤差較小時，引入積分環節，采用PID控制，以消除誤差，提高控制精度。即：　　
　　式中，ε>0為人為設定的閾值。
　　
　　積分分離控制算法可表示為：　　
　　式中，T為采樣時間，a為積分項的開關系數，即：　　
　　4、實驗研究
　　
　　用于實驗的交流電機參數為Pn=2.2kW，Un=220V，In=，nn=1440r/min，r1=2.91Ω，r2=3.04Ω，Is=0.45694H，Ir=0.45694H，Im=O.44427H，Ten=14N。
　　
　　通過實驗表明，積分分離PID控制充分發揮了PID控制調節精度高的優點，提高了系統的控制精度。
　　
　　5、結語
　　
　　本文提出了一種基于積分分離PID控制的交流伺服系統，在系統誤差較大時，取消積分環節;當誤差較小時，引入積分環節，從而使系統的靜態和動態性能指標較為理想。這種控制方法提高了系統的精度。仿真實驗結果表明，該控制器具有很好的動靜態性能，是一種行之有效的控制器。