基于分段PID方法的非線性負載電機的轉速控制

任思巖，郝艷鵬，張晨曦，侯一雪，王 雁

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于分段PID方法的非線性負載電機的轉速控制

任思巖，郝艷鵬，張晨曦，侯一雪，王 雁

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

提出了基于分段PID的非線性負載電機的轉速控制方法，在不增加成本的前提下，該方法克服了單段PID控制無法滿足負載大幅度變化導致的系統不穩定性，并有效降低了非線性負載結構的震動情況。這使得自動化設備的精度等級提高到微米級，極大地改善了自動化設備的生產能力水平。

分段PID；非線性負載；電機轉速

近年來電機在自動化工業中得到廣泛的應用，特別是對一些調速性能要求較高的場合。盡管應用領域各有不同，轉速仍然是其主要的控制參數。目前轉速控制算法多采用PID算法，PID算法已非常成熟，容易實現，控制性能好，且能很好地消除穩態誤差，而控制性能的效果主要取決于PID控制參數的選取。但工業過程控制中，被控對象會受到來自各種渠道的干擾和影響，例如結構的變化，負載的變化，這些干擾和影響可能導致過程特性的變化，這往往會造成整個機械結構產生過度的震動，從而影響高精度作業（如微米級或亞微米級）的穩定性，因此要求系統根據運行狀態自動整定P、I、D參數，使系統始終運行在一個較好的工作狀態。為此，本文針對非線性負載的情況利用分段PID方法對電機的轉速進行控制。與單一PID控制系統相比，該方法有效地降低了在負載產生急劇變化的情況下，由于PID的單一無法同時適應高負載和低負載而產生的穩態誤差。

1 電機轉速的PID控制

1.1 PID控制基本原理

PID控制即比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制。它是一種線性控制器用輸出y(t)和給定量R(t)之間誤差的時間函數，即：E(t)=R(t)-y(t)。如圖1所示。

比例調節的作用：減小誤差，但比例系數過大會減低系統穩定性。

圖1 PID控制算法框圖

積分調節的作用：消除靜態誤差，但積分系數過大會減慢動態響應，減低系統穩定性

微分調節的作用：改善系統動態性能，提高穩定性，但微分系數過大會降低系統抗干擾能力。

1.2 非線性負載運動系統分析

在“工業4.0”概念火熱的今天，全自動化的工業設備作為實現“工業4.0”的基本單元，已經開始全面替代傳統的手動、半自動工業設備。為適應生產工藝要求，全自動設備的機械結構中往往會出現一些非線性負載結構，如圖2所示，這種凸輪結構就是一種典型的非線性負載結構。

圖2 凸輪結構

轉動慣量計算公式：

根據公式(1)，可以計算出圖3中的凸輪最高點與最低點之間的轉動慣量之比為9.97，接近10倍。

圖3 凸輪工程圖

1.3 分段PID控制電機轉速

若使用同一組PID參數對電機轉速進行控制，則很難同時使得在凸輪最高點附近和最低點附近的運動都具有良好的穩定性，因此整個系統將產生較大的震動，從而影響整個自動化設備的精度以及穩定性。實驗結果如表1所示，分別對3組實驗數據計算，中心值分別為：1.250 7 mm，1.676 mm，1.239 1 mm；3σ誤差分別為：0.138 6 mm，0.095 7 mm，0.124 3 mm。因此單段PID控制方法的誤差范圍在±100 μm。

通過將整個凸輪的運動分解為2段，甚至更多段，每一段采用不同的PID進行控制，發現在每一小段當中，電機轉速控制的更加穩定，大幅度減

表1 單段PID控制震動幅度

2 結 論

綜上所述，根據表1以及表2的結果對比，利用分段PID的方法控制電機的轉速，有效地提高了在非線性負載的情況下系統的穩定性，將震動幅度減小了一個數量級，有效地提高了全自動設備的精度等級，從而使得設備在不增加任何成本的前提下可以滿足微米級生產任務的使用要求，有很高的應用價值。小了整個架構的震動情況。實驗結果如表2所示，分別對3組實驗數據計算，中心值分別為：1.272 mm，1.258 mm，1.251 mm；3σ誤差分別為：0.009 2 mm，0.009 0 mm，0.009 2 mm。因此單段PID控制方法的誤差范圍在±10 μm。

表2 分段PID控制震動幅度

[1] 株式會社，安川電機.機器控制器MP900/MP2000系列用戶手冊-運動程序篇[Z].2004.

[2] 株式會社，安川電機.機器控制器MP900/MP2000系列用戶手冊-運動程序篇[Z].2004.

[3] 株式會社，安川電機.Σ-7S伺服單元產品手冊[Z].2014.

[4] 申輝陽，申棟梁.封閉式液位控制系統的PLC分段PID控制方法[J].機電工程技術，2012，41(2)：31-33.

[5] 董麗榮，董文智.基于模糊-PID復合控制算法的電機轉速控制[J].包頭職業技術學院報，2010，11(3)：12-14.

A Segmentation PID Control-method of Motor Speed for Solving Nonlinear Load System

REN Siyan，HAO Yanpeng，ZHANG Chenxi，HOU Yixue，WANG Yan

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

In this paper,a segmentation PID control-method of motor speed for solving nonlinear load system were given.Under the premise of without any increase in costs the method not only avoid a situation when signal segment PID control-method can not control nonlinear load system very stable，but also obviously decrease the vibration amplitude.It makes the automation's precision grade up to micron level and improve the automation's level of production capacity greatly.

Segmentation PID；Nonlinear load system；Motor speed

TM301.2

B

1004-4507(2017)03-0063-03

2017-04-10