基于前馈补偿PID的高精度伺服控制系统设计(共25页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学 计算机控制技术 课程设计（论文）题目 基于前馈补偿PID的高精度伺服控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化073 学 号： 学生姓名： 王金玉 指导教师： 起止时间：2010.12.15-2010.12.24专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名王金玉专业班级自动化073课程设计（论文）题目基于前馈补偿PID的高精度伺服控制系统设计课程设计（论文）任务1、系统被控对象的传递函数为2、分别用普通PID算法和前馈补偿PID算法进行控制，给出两种方法的跟踪误差曲线，并对结果

2、详细比较和分析优缺点。3、采样周期1ms，输入为r=0.5sin(6t)，、参数的取值通过实验调试得到。4、系统曲线要求：稳定，上升时间短，无静差，超调小，抗干扰能力强。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、对系统功能进行分析（1天）3、系统硬件电路设计（3天）4、系统软件设计（3天）5、撰写、打印设计说明书（2天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要在高精度的伺服系统中，速度和方向是控制整个伺服系统的核心。由于系统的硬件的限制，伺服系统的速度和方向控制都存在一

3、定偏差，这个伺服系统的控制带来了不利的影响。针对上述存在的问题，本文将前馈控制算法引入到伺服控制系统中，对偏差带来的干扰进行提前处理。改进了PID算法，将前馈补偿引入到PID算法中，以改善系统的动态性能。通过MATLAB仿真图，对比两种算法的输出和偏差，分析两种算法的优缺点。本文主要通过仿真对两种算法进行对比，进而反映两种算法优缺点，以供使用。关键词：伺服系统；前馈补偿；MATLAB仿真目 录第1章 绪论伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转

4、角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在12赫以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系统的精度主要决定于所用的测

5、量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。第2章 课程设计的方案伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机

6、械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。测速传感器A/D转换器89S51控制器D/A转换器伺服电机图2.1 系统结构框图系统通过霍尔测速传感器将模拟量通过A/D转换器转换成数字量传入单片机，单片机经过信号分析，通过D/A转换将数字量信号转换成模拟量信号传入伺服电机，达到系统控制的目的。第3章 硬件设计3.1 主电路在高精度伺服控制系统中，前馈控制可以用来提高系统的跟踪性能。经典控制理论中的前馈控制是基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。利用前馈控制思想，针对

7、PID控制设计了前馈补偿，以提高系统的跟踪性能。图3.1 主电路3.2 单片机最小系统设计89S51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTE公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89S51内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器32个双向输入/输出(I/O)口、3个16

8、位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89S51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89S51有PDIP和PLCC两种封装形式。图3.2 单片机最小系统3.3 D/A转换器的选择DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图3.3所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VRE部分成。 输出的模拟量 与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换

9、。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一。图3.3 DAC08323.4 MC14433A/D转换器MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：1.精度：读数的0.05%1字2.模拟电压输入量程：1.999V和199

10、.9mV两档3.转换速率：2-25次/s4.输入阻抗：大于1000M5.输入阻抗：大于1000M6.功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）7.功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）图3.4 MC144333.5 测速传感器转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1。传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中

11、心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图第4章 软件设计4.1 PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，

12、使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。PID控制的原理和特点：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制

13、器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系

14、统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制 在微分控制

15、中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控

16、对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性PID控制器的参数整定：PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法

17、各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。4.2 P、I、D参数的预置与调整(1) 比例增益 P变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限

18、接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P 可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。(2) 积分时间如上所述比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节 I ，其效果是，使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间

19、内逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。(3) 微分时间 D微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。 D 的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时， 微分时间应长些。(4)P 、 I 、 D 参数的调整原则P 、 I 、 D 参

20、数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P 。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 。4.3普通PID控制算法在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图4-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。rin(k) + yout(k) - - + 微分比例积分对象图4.1PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差 （4-1）P

21、ID的控制规律为 （4-2）或写成传递函数的形式 （4-3）PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。4.4前馈补偿PID控制算法在精度伺服控制中，前馈控制可用来提高系统跟踪性能。经典控制理论中的前馈控制设计师基于复合控制思想，当闭环系统

22、为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。作者利用前馈控制的思想，针对PID控制设计了前馈补偿，以提高系统的跟踪性能。 + -PIDVpI/G(s)G(s)y(s)图4.2 前馈PID控制结构设计前馈补偿控制器为 （4-4）总控制输出为PID控制+前馈控制输出 （4-5）写成离散形式为 （4-6）4.5 程序流程图在高精度伺服控制系统中，前馈控制可以用来提高系统的跟踪性能。经典控制理论中的前馈控制是基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。利用前馈控制思想，针对PID控制设计了前馈补偿，以提

23、高系统的跟踪性能。NYrin(k),yout(k)error(k)=rin(k)-yout(k)u(k)开始M=1？返回图4.3 系统软件流程图4.6 MATLAB仿真程序clear all;close all;ts=0.001;sys=tf(133,1,25,0);dsys=c2d(sys,ts, z);num,den=tfdata(dsys, v)u_1=0;u_2=0;y_1=0;y_2=0;error_1=0;ei=0;for k=1:1:1000time(k)=k*ts;A=0.5;F=3.0;rin(k)=A*sin(F*2*pi*k*ts);drin(k)=A*F*2*pi*co

24、s(F*2*pi*k*ts);ddrin(k)=-A*F*2*pi*F*2*pi*sin(F*2*pi*k*ts);yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2+num(2)*u_1+num(3)*u_2;error(k)=rin(k)-yout(k)ei=ei+error(k)*ts;up(k)=80*error(k)*20*ei+2.0*(error(k)-error_1)/ts;uf(k)=25/133*drin(k)+1/133*ddrin(k);M=2;if M=1 u(k)=up(k);elseif M=2u(k)=up(k)+uf(k);endif u(k)=10

25、 u(k)=10;end;if u(k)=-10 u(k)=-10;endu_2=u_1;u_1=u(k);y_2=y_1;y_1=yout(k);error_1=error(k);endfigure(1);plot(time,rin, r,time,yout, b);xlabel(time(s) );ylabel(rin,yout);figure(2);plot(time,error, r);xlabel(time(s) );ylabel(error);figure(3);plot(time,up, k,time,uf, b,time,u, r);xlabel(time(s) );ylabe

26、l(up,uf,u);第5章 系统测试与分析5.1 连续系统离散化前馈控制的典型结构如图5.1所示。+u2u1e rrn+r1u图5.1 前馈控制结构图中，是被控对象扰动通道的传递函数，是前馈控制器的传递函数，是被控对象控制通道的传递函数，e，r，u分别为扰动量、输入量、输出量。为了便于分析扰动量的影响，假定，则有 （5-1）若要使前馈作用完全补偿扰动作用，则应使扰动引起的被控量变化为0，即，因此 （5-2）由此可得前馈控制器的传递函数为 （5-3） 5.2 MATLAB仿真图及分析伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转

27、速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。跟据要求采样周期ts=0.001s。经过仿真普通PID控制算法得到的仿真图（图5.2）得到上升时间tr=0.089s，调整时间tp=0.17，最大超调量Mp=30%。图5.2 普通PID输出仿真图 经过仿真普通PID控制算法得到的仿真图（图5.2）得到上升时间tr=0.089s，调整时间tp=0.17，最大超调量Mp=30%。图5.3 前馈补偿PID输出仿真图通过两种算法仿真图的比较，清晰可见：普通PID的扰动调整时间较长，超调量大，不满足伺服系统的可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能，而前馈补偿PID的调整时间相对较短，超调量

28、小，对扰动的抗干扰也相对较强，基本满足伺服系统的性能要求。第6章 课程设计总结控制策略在交流伺服中发挥着至关重要的作用，优良的控制策略不但可以弥补硬件设计方面的不足，而且可以提高系统的性能。控制策略主要包括交流电动机控制技术和系统的主要调节控制策略。高性能的交流伺服系统对控制策略的要求概括为：不但要求系统具有快速的动态响应和高的动、静态精度，而巳系统对参数的变化和扰动不敏感。PID控制就是一个很好的控制策略，只要比例数、积分时间、微分时间三个参数整定恰当，就可以避免调节过程过分振荡，就能实现无级控制，而且具有摇臂钻床抑制超调的作用，能够有效地划R动态误差和缩短调节过程时间。PID控制结构简单、

29、算法易懂，使用方便、适用性广、鲁棒性强，是工业过程挎制中常见的控制器，Pm控制回路占世界丁业控制回路总数的80%90%。而PID控制中又分多种控制算法，本文是针对普通PID算法和前馈补偿PID算法进行分析的，通过两种算法的仿真比较两种算法的优缺点。最终我们分析出：普通PID的扰动调整时间较长，超调量大，不满足伺服系统的可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能，而前馈补偿PID的调整时间相对较短，超调量小，对扰动的抗干扰也相对较强，基本满足伺服系统的性能要求。通过近几天的课程设计，使我跟进一步了解了前馈补偿PID算法与普通PID算法对伺服控制系统的控制的区别，通过系统设计、硬件选取、MATLAB仿真的一套设计，使我更清楚的认识到了两种算法对系统的影响。参考文献1 王召巴,计算机控制技术,北京：清华大学出版社，2004：19-48，81-932 张晓明,伺服系统设计,北京：航空航天大学出版社，1990：45-563 李杰,关于伺服系统在工业生产的设计 ,北京：高等教育出版社，2003：126-1354 顾兴源,计算机控制系统,北京：冶金工业出版社, 1981：25-405 任涛等, 微型计算机控制,北京：电子工业出版社,1997：201-2206 何立民,关于计算控制技术的应用,北京：北京航空航天大学出版社,2000：40-60