基于PID算法的喂線機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高美玲

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

PID算法是一個閉環(huán)控制算法，它可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過測量轉(zhuǎn)速的傳感器，將結(jié)果反饋到控制電路上，進(jìn)行速度自整，使實(shí)際運(yùn)行的速度和設(shè)定的速度保持一致，從而達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。出于對喂線機(jī)生產(chǎn)精度的要求，對喂線機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用PID算法，提高喂線機(jī)的喂絲精度。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，保證系統(tǒng)喂絲的精準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)調(diào)速子系統(tǒng)，設(shè)備調(diào)速的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備調(diào)速的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)速子系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，運(yùn)用PID運(yùn)算進(jìn)行速度自整，通過傳感器反饋速度信息與給定速度做比較得到偏差，經(jīng)過PID算法，重新輸入電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際速度與給定速度基本保持一致，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，提高喂絲精度。

2 PID算法實(shí)現(xiàn)原理

PID算法實(shí)現(xiàn)原理圖如圖2所示。圖中，r(t)是給定的運(yùn)行速度，y(t)是控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的速度值，e(t)是給定值與實(shí)際輸出值比較得出的控制偏差，u(t)是經(jīng)過PID運(yùn)算得出的電機(jī)的輸入值。

圖2 PID算法實(shí)現(xiàn)原理圖

(1)比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差發(fā)生的瞬間做出快速反應(yīng)，KP增大可減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但KP的增大也會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)斐上到y(tǒng)不穩(wěn)定。

(2)微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，微分環(huán)節(jié)有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠減小穩(wěn)態(tài)誤差，但微分作用能夠放大噪聲信號。

(3)積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無差度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)一起控制，能夠達(dá)到既可使系統(tǒng)穩(wěn)定又能提高無差度的目的。

離散的PID表達(dá)式:

控制器輸出的是每一步的增量△u(k)，增量算式為:

3 得到PID參數(shù)

為了進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對使用的電機(jī)進(jìn)行建模，建模方法使用的是參數(shù)辨識，即測量電機(jī)對象的階躍響應(yīng)曲線，如圖3所示。

圖3 飛升曲線

得到電機(jī)的傳遞函數(shù)表達(dá)式:

將電機(jī)的傳遞函數(shù)化簡并寫成典型環(huán)節(jié)形式:

從圖3的飛升曲線上可得到以下幾個點(diǎn):

然后使用高橋參數(shù)整定方法:

得到hmax=0.3074;k0=2。

得到如下PID參數(shù):L0=1，Ki=0.8675，Kp=2.1687，Kd=0.9759～1.6265。

將高橋參數(shù)整定結(jié)果帶入，simulink仿真圖如圖4所示。

圖4 高橋整定PID參數(shù)后的階躍響應(yīng)曲線

在高橋整定的基礎(chǔ)上微調(diào)PID參數(shù)，得到特性更好的階躍響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 整定微調(diào)后飛升曲線

滿足要求的PID參數(shù)為:Ki=0.9，Kp=3，Kd=1。

4 穩(wěn)定性與快速性測試

4.1 穩(wěn)定性測試

圖6是未加PID的電機(jī)，能夠看出電機(jī)是不穩(wěn)定的。

圖7是加PID調(diào)節(jié)之后的電機(jī)，可以看出是穩(wěn)定的。

4.2 快速性測試

取圖7中3個點(diǎn)(4.8，1)、(6，1.018)、(10，1)，可以求得動態(tài)性能指標(biāo):

圖6 未加PID的電機(jī)

上升時間4.8s;峰值時間6s;超調(diào)量(1.018－1)/1×100%=1.8%。

通過性能指標(biāo)可以看出，通過PID運(yùn)算，電機(jī)轉(zhuǎn)速很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)了系統(tǒng)的快速性。

圖7 加PID的電機(jī)

5 結(jié)語

通過應(yīng)用PID運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了喂線機(jī)的喂絲精度，對PID遠(yuǎn)算進(jìn)行了穩(wěn)定性與快速性測試，結(jié)果表明PID算法應(yīng)用于喂線機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定狀態(tài)伴隨生產(chǎn)過程全程。