第10章计算机控制系统应用实例(4)

10.2.5 系统的实际控制效果

1、控制器参数的整定

数字PID控制器的参数整定就是确定Kp、Ki、Kd和T四个参数，可以选用的方法很多，如第4章4.4.3节所述，这里选用“扩充响应曲线法”进行参数整定。

炉温控制系统的阶跃响应曲线如上述图10.16所示。从图中可以得到：??40，

Tm?T1?320，其中?和Tm的含义与第4章图4.20相同。

查表4.2，选择控制度为1.05，于是得到

T320?9.2， T?0.05??2，Kp?1.15m?1.15?40Ti?2??80，Td?0.45??18

根据经验，将采样周期调整为T?1s，于是根据第4章（4.48）式，得到

T1Ki?Kp?8.91?0.111

Ti80Kd?KpTdT?9.2181?165.6

从而确定了位置式PID控制器式（10.16）中的控制器参数。

2、系统运行结果

根据上述整定的控制器参数对炉温控制系统进行温度控制，设定阶跃输入为

r0?150，则系统的温控曲线如图10.18所示。从温控曲线可以看出，理论上整定的控

制参数，可以保证系统稳定，但是动态过程并不理想：超调量大，过渡过程时间长。因此在理论控制参数的基础上，可以对PID的控制参数进行进一步的调整。

图10.18 理论控制器参数下系统的温控曲线

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（1）调整Kp。Kp的作用是对偏差作出响应，使系统向减少偏差的方向变化。Kp增大有利于减小稳态误差，但过大会导致系统超调增加，稳定性变差，所以应该适当地减小Kp。经过多次试验，当Kp?7.3时，系统响应的超调量小，动态性能较好。

（2）调整Ki。Ki的作用是消除系统的稳态误差，但Ki增得太大不利于减少超调，减小振荡，使系统稳定性变差，系统稳态误差的消除反而减慢。调整Ki后的系统稳态误差可以消除，超调量减小，但是调节时间仍然很长，这可以通过调整Kd得到解决。

（3）调整Kd。Kd的作用是加快系统的响应，对偏差的变化作出响应，按偏差趋向进行控制，将偏差消除在起始状态当中，使系统超调量减小，稳定性增加，但对扰动的抑制能力减弱。经过调整后取：

Kp?7.3，Ki?0.1，Kd?50 可以得到较好的控制效果，温控曲线如图10.19所示。

图10.19 调整控制参数后的系统温控曲线

对于惯性大、具有较大滞后的系统，实践经验表明，使用PID进行控制，系统的超调量过大，调节时间长，系统很难达到稳定。即使调整PID控制器参数，也很难得到良好的效果。因此，为了改善滞后对系统性能的不良影响，比较常用的控制算法是Smith预估控制算法、Dahlin算法等，可以应用这些算法对本系统进行控制。实际上，本实验系统的计算机软件中也包含了这些算法。

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10.3 随动控制系统

10.3.1 随动系统概述

随动系统（Servo System），是指给定值随时间任意变化的一类自动控制系统。随

动系统最简单的控制目标就是使系统的输出y和系统的参考或指令信号r的差值尽量小。系统的特点是：

（1）控制量是机械位移或位移的时间函数。

（2）给定值是变化的，可以在很大范围内变化。给定值可能是位置的突变（阶跃函数），可能是位置的连续等速递增（速度函数），也可能是位置的加速递增（加速度函数），甚至是正弦信号或其它的随机信号。

（3）要求系统精确跟随，或者说要求稳态跟随误差为零或尽可能小。

（4）要求系统响应速度快，或者说系统的输出量能快速跟随输入量的变化而变化。 （5）属于反馈控制。

随动系统广泛应用于物体的位置、方位和姿态作为控制量的部位，如数控机床的道具进给和工作台定位系统，机器人控制系统，柔性机器制造系统，计算机集成机械制造系统等机电一体化领域，轧钢机的压下装置等工业生产过程自动化系统，飞机、船舶的自动舵机控制，卫星跟踪，雷达技术，导弹制导，火炮自动瞄准系统等，这些系统一般都要求有响应速度快、抗干扰能力强以及定位精确度高等优良特性。

随动系统按执行机构电机类型的不同分为： （1）交流随动系统（交流伺服系统）； （2）直流随动系统（直流伺服系统）。 随动系统按组成部件的物理性质不同分为：

（1）模拟式随动系统：系统的位置检测、控制器等均采用模拟电路实现； （2）数字式随动系统：系统的位置检测、控制器均采用数字电路或数字计算机实现；

（3）模数混合式随动系统：系统装置包含上述两部分电路。 随动系统按控制方式的不同分为： （1）常规PID控制的随动系统； （2）前馈加反馈复合控制的随动系统； （3）滑模变结构控制的随动系统； （4）鲁棒控制随动系统； （5）自适应控制随动系统； （6）H∞控制的随动系统；

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（7）模糊控制的随动系统； （8）智能控制随动系统； （9）神经网络控制随动系统。

随动系统的一般构成如下图10.20所示，由电流环、速度环和位置环三个回路组成，电流环和速度环为内环，位置环成为外环。位置信号可以从电机轴上取出，也可以从负载端取出。对于中小功率随动系统，电机的电枢电阻大，或者允许过载倍数高（如小惯量电机等），可以不必过多限制动态过程中的电流，为了提高系统的快速性，可以不设置电流环和速度环，而采用只有位置反馈的单闭环结构。随动系统的原理方框图如下图10.21所示，位置指令装置将希望的位移量转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置实时监测出被控对象的实际位移，也转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得来的偏差信号按某种控制规律加以放大后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定精度为止。这样，被控对象的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。

图10.20 随动系统的一般结构

图10.21 随动系统的原理框图

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由图

10.20可知，随动系统的结构是在调速系统的基础上再加一个位置外环来构

成的，因此随动系统的设计也可以和多环调速系统一样，由内到外一环一环地进行设计。位置调节器保证随动系统的位置精度，速度调节器、电流调节器快速灵敏地跟随位置调节器的输出来驱动伺服电机运动。这种三环随动系统的优点是稳定性有保证，易于调整，但它有一个明显的不足，就是响应较慢。因为在每次由内环到外环的设计时，都要采用内环的等效环节，而这种等效环节的传递函数之所以能成立，是以外环的截止频率?c远低于内环等效时间常数为基础的，这样位置环的截止频率就会被限制得很低，自然就限制了系统的快速性。因此，采用古典控制理论方法进行设计，随动系统性能的提高是有限的。为了获得更好的性能，必须把三个环节协调起来进行总体设计。图10.22是现代随动系统一种具有代表性的结构。

图10.22 现代随动系统的结构

选择性能指标是随动系统设计中一个十分重要的问题，主要性能指标包括系统稳定跟随精度，最大跟踪精度，最大跟踪加速度或频率响应指标，即系统的动态特性等。随动系统的具体指标是通过详细考察和分析实际被控对象的各种可能工作状态，如运行速度、加速度等，取其极限值，同时参考国内外现有同类装置的技术指标而确定。

10.3.2 随动系统硬件设计

随动系统的硬件部分包括控制系统、传感器、执行机构等部分。采用罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统来进行随动控制实验。罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统包括控制系统、传感器、执行机构等部分，如图10.23、图10.24所示。

随动系统的控制主要由Logix5555控制器来实现，软件设计由RSLogix5000编程软件实现，通讯则由SERCOS光纤环网以及1756-M08SE SERCOS接口模块来完成，执行设备为AB F-系列电机，它们由环网中的伺服控制器Ultra3000-SE来驱动，位置和速度检测装置则是F-系列电机中内置的增量式编码器。

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