1、開環控制系統?

?????? 開環控制系統(open-loop?control?system)是指被控對象?(被控量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環回路。

?2、閉環控制系統?

?????? 閉環控制系統(closed-loop?control?system)的特點是系統被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱為負反饋(?Negative?Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環控制系統均采用負反饋。

3、階躍響應??

?????? 階躍響應是指將一個階躍輸入（step?function）加到系統上時系統的輸出。穩態誤差是指系統的響應進入穩態后﹐系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、準、快三個字來描述。

?????? 穩是指系統的穩定性(stability)，一個系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍響應上看應該是收斂的。

?????? 準是指控制系統的準確性、控制精度，通常用穩態誤差來(Steady-state?error)描述，它表示系統輸出穩態值與期望值之差。

?????? 快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。?

?4、PID控制的原理和特點

?????? 在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。??

?比例（P）控制??

?????? 比例控制是控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state?error）。??????

積分（I）控制??

?????? 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或稱之為有差系統（System?with?Steady-state?Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

微分（D）控制??

??????在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。?自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。????????????????解決的辦法是使抑制誤差的作用?“超前”，即預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。??

5、PID控制器的參數整定??

?????? PID控制器的參數整定是根據被控過程的特性確定比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有特點，共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定?，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行?PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作﹔(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。?經驗口訣：?????

參數整定找最佳???從小到大順序查??????先是比例后積分???最后再把微分加????

?曲線振蕩很頻繁???比例度盤要放大??????曲線漂浮繞大灣???比例度盤往小扳????

?曲線偏離回復慢???積分時間往下降??????曲線波動周期長???積分時間再加長?????

曲線振蕩頻率快???先把微分降下來??????動差大來波動慢???微分時間應加長?????

理想曲線兩個波???前高后低4比1??????一看二調多分析???調節質量不會低

附二、PID調節的一些經驗?

?????? 首先，力矩控制只需要調節電流環，速度控制需要調節電流環和速度環，位置控制需要調節電流環、速度環和位置環。?

?????? 電流環為PI控制，一般采用默認值（選擇電機時根據電感、阻抗會自動計算出默認值）。?

?????? 速度環為PI以及力矩前饋控制，輸入選型計算所得的負載慣量，則參數設置軟件將自動計算出增益P、積分常數I，力矩前饋因子。?

?????? 位置環為P控制以及速度前饋控制，通常速度前饋因子設為100％，位置環比例因子Kv根據經驗給出。?自整定：?

?????? 自整定能測量出電機的實際電感、阻抗、死區時間，負載慣量。?所以根據實際電感、阻抗可以計算出新的電流環PI值。?

?????? 根據測量得出的負載慣量可以采用參數設置軟件計算出新的增益P、積分常數I，力矩前饋因子。?

?????? 經驗調節：?在完成前一步或者前兩步之后，在實際運行中可能還不盡如人意，可以根據外部信息對PID參數進行調節，這些外部信息包括電機（機床）的振動；實際加工精度以及示波器顯示的誤差。?

?????? 電機振動通常是總體增益過高。電機擺動可能是電機總體增益過低。?實際加工精度不足通常是總體增益不夠高。?示波器誤差（指參數設置軟件捕捉到的速度、位置偏差）較大通常是總體增益不夠高。

?????? 所以機床振動和實際加工精度不足、示波器誤差較大往往是相矛盾的?？傮w增益提高了，加工精度提高了，機床振動大了；總體增益下降后，機床振動減小，但是加工精度下降。調整PID的目的就是找到一個好的平衡點。?

?????? 提高整體增益的辦法：提高速度環的P值，降低速度環的I值，提高位置環的Kv值，減小編碼器反饋的濾波時間常數。?

?????? 較小整體增益的辦法：降低速度環的P值，提高速度環的I值，降低位置環的Kv值，提高編碼器反饋的濾波時間常數。?

?????? 需要注意的是，在位置控制方式下，位置環增益和速度環參數有一定關聯，當位置環增益提高對系統精度（可以從示波器誤差中看到）沒有效果后，需要再考慮提高速度環增益。?

附三、淺析伺服電機在使用中的常見問題?

?????? 伺服系統能提供最高水平的動態響應和扭矩密度，所以拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取替傳統的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動。

問題一：噪聲，不穩定?

???????在一些機械上使用伺服電機時，經常會發生噪聲過大，電機帶動負載運轉不穩定等現象，出現此問題時，許多使用者的第一反應就是伺服電機質量不好，因為有時換成步進電機或是變頻電機來拖動負載，噪聲和不穩定現象卻反而小很多。表面上看，確實是伺服電機的原故，但仔細分析伺服電機的工作原理后，會發現這種結論是完全錯誤的。?

????????交流伺服系統是一個響應非常高的全閉環系統，負載波動和速度較正之間的時間滯后響應是非?？斓?#xff0c;此時，真正限制系統響應效果的是機械連接裝置的傳遞時間。?

?????? 例子：用伺服電機通過V形帶傳動一個恒定速度、大慣性的負載。整個系統需要獲得恒定的速度和較快的響應特性，分析其動作過程：???當驅動器將電流送到電機時，電機立即產生扭矩；一開始，由于V形帶會有彈性，負載不會加速到象電機那樣快；伺服電機會比負載提前到達設定的速度，此時裝在電機上的偏碼器會削弱電流，繼而削弱扭矩；?隨著V型帶張力的不斷增加會使電機速度變慢，此時驅動器又會去增加電流，周而復始。?

?????? 在此例中，系統是振蕩的，電機扭矩是波動的，負載速度也隨之波動。其結果當然會是噪音、磨損、不穩定了。不過，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩定性，是來源于機械傳動裝置，是由于伺服系統反應速度(高)與機械傳遞或者反應時間（較長）不相匹配而引起的，即伺服電機響應快于系統調整新的扭矩所需的時間。?

?????? 針對以上問題可以：（1）增加機械剛性和降低系統的慣性，減少機械傳動部位的響應時間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動或用齒輪箱代替V型帶。（2）降低伺服系統的響應速度，減少伺服系統的控制帶寬，如降低伺服系統的增益參數值。

如由機械共振引起的噪聲，在伺服方面可采取共振抑制、低通濾波等方法，總之，噪聲和不穩定的原因，基本上都不會是由于伺服電機本身所造成的。???

問題二：?慣性匹配?

???????在伺服系統選型及調試中，常會碰到慣量問題，具體表現為：1在伺服系統選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統換算到電機軸的慣量，再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來選擇具有合適慣量大小的電機；2在調試時（手動模式下），正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能的前提，這一點在要求高速高精度的系統上表現尤為突出（臺達伺服慣量比參數為1-37，JL/JM）。這樣，就有了慣量匹配的問題。?那到底什么是“慣量匹配”呢？?

?????? 1.根據牛頓第二定律：進給系統所需力矩T?=?系統傳動慣量J?×?角加速度θ，角加速度θ影響系統的動態特性，θ越小，則由控制器發出指令到系統執行完畢的時間越長，系統反應越慢。如果θ變化，則系統反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應該盡量小。?2.進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉慣性動量JM?＋?電機軸換算的負載慣性動量JL。負載慣量JL由（以工具機為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯軸器等直線和旋轉運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。??

?????? 知道了什么是慣量匹配，那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢？?

?????? 1．影響：轉動慣量對伺服系統的精度，穩定性，動態響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時才有利，因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。?

?????? 2．確定：衡量機械系統的動態特性時，慣量越小，系統的動態特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。??例如，CNC中心機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發生：1.控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；2.當機臺沿二軸執行弧式曲線快速切削時，會發生較大誤差?1.一般伺服電機通常狀況下，當JL?≦?JM,則上面的問題不會發生。?2.當JL?＝?3×JM?，則馬達的可控性會些微降低，但對平常的金屬切削不會有影響。(高速曲線切削一般建議JL?≦?JM)?。?3.當JL?≧3×?JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現突出?。

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。??

問題三：伺服電機選型?

?????? 在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。

（1）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：??

1.?馬達最大轉速＞系統所需之最高移動轉速。?????

2.??2.馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配。?

3連續負載工作扭力≦馬達額定扭力

4.馬達最大輸出扭力＞系統所需最大扭力（加速時扭力）?

（2）選型計算：?

1.?慣量匹配計算（JL/JM）?

2.回轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速）?

3.負載扭矩計算（連續負載工作扭矩，加速時扭矩）

附四、?用脈沖方式控制伺服電機的優缺點?

?優點：??

（1）可靠性高，不易發生飛車事故。用模擬電壓方式控制伺服電機時，如果出現接線接錯或使用中元件損壞等問題時，有可能使控制電壓升至正的最大值。這種情況是很危險的。如果用脈沖作為控制信號就不會出現這種問題。??

（2）信號抗干擾性能好。數字電路抗干擾性能是模擬電路難以比擬的。??

?缺點：??

（1）控制的靈活性大大下降。伺服驅動器的脈沖工作方式脫離不了位置工作方式，在位置方式下，位置環在伺服驅動器內部。這樣系統的PID參數修改起來很不方便。當用戶要求比較高的控制性能時實現起來會很困難。從控制的角度來看，這只是一種很低級的控制策略。如果控制程序不利用編碼器反饋信號，事實上成了一種開環控制。如果利用反饋控制，整個系統存在兩個位置環，控制器很難設計。在實際中，常常不用反饋控制，但不定時的讀取反饋進行參考。這樣的一個開環系統，如果運動控制器和伺服驅動器之間的信號通道上產生干擾，系統是不能克服的。??

（2）控制的快速性速度不高。運動控制器和驅動器如何用足夠高的脈沖信號傳遞信息。一般的上位機控制卡的脈沖頻率是256K?，這就意味著在脈沖控制方式下（系統的分辨率為1u?），速度最多只能是256?mm/s?。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的PID与伺服驱动器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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