某驅動步進電動機增量PID控制研究

曹平軍曲林偉王強，3劉峰

（1.91257部隊舟山316000）（2.中船重工第七〇三研究所哈爾濱150078）（3.海軍工程大學武漢430030）（4.海軍蚌埠士官學校蚌埠233000）

某驅動步進電動機增量PID控制研究

曹平軍1曲林偉2王強1，3劉峰4

（1.91257部隊舟山316000）（2.中船重工第七〇三研究所哈爾濱150078）（3.海軍工程大學武漢430030）（4.海軍蚌埠士官學校蚌埠233000）

論文以某驅動步進電動機控制模型為研究對象，分別采用普通量PID（Proportional-Integral-Derivative）控制和增量式PID控制對該電動機進行控制，選定合適的控制參數，通過計算控制響應曲線及其與給定值的誤差來研究控制策略的影響，確定合適的控制策略。

增量式PID控制；控制策略；驅動電動機

Class NumberTP273

1 引言

目前工程實際應用中大多數設備的控制系統均采用位置式比例－積分－微分（Proportional-In?tegral-Derivative，PID）控制，這種算法主要有兩個缺點：1）使用全量輸出，所以每次的輸出均與過去的狀態有關，受到干擾或有錯誤輸入時，被控量要進行累加，運算量大，也會導致輸出控制量可能出現大幅度變化，進而會引起執行機構位置的大幅度變化。2）控制設備容易產生超調，而對某些設備基本不允許有超調量的存在，否則會對設備產生巨大的破壞。一般我們要求控制系統，響應時間快，超調小，控制平穩，而這些對幾個參數要求是相互矛盾的，如何確定其中的最優值是我們要確定的目標。而增量式PID控制，主要通過控制增量對系統進行控制，響應時間相對比較快，而且與過去的狀態無關，被控量不會累加，超調量會比較小。文獻［1～10］對該算法的應用都做了應用研究，但是其中算法的研究和合適參數的范圍的選取尚未深入考慮。

本文以某驅步電動機控制策略仿真模型為研究對象，采用增量式PID控制方法并與普通PID控制策略做對比，研究不同控制策略對系統響應時間和超調量等對設備的影響，通過控制響應曲線和計算誤差，研究增量式PID控制優勢。

2 增量式PID控制原理

PID控制作為常用的控制器，廣泛應用在設備的控制策略中，PID控制是一種線性控制器，它根據給定值yd(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差：

PID的控制規律為

式中：kp為比例系數，T1為積分時間常數，TD為微分時間常數。

而當執行機構需要控制增量時，應當采用增量式PID控制。

根據遞推原理可得增量式PID控制策略：

寫成傳遞函數的形式為

增量式PID控制算法

其中kp為比例系數，ki為積分系數，kd為微分環節。

3 某驅動步進電動機仿真研究

選取參數持kp=8，ki=0.1，kd=10，當系統是普通PID控制時，系統的響應曲線和誤差曲線如圖1所示。

當保持ki=0.1，kd=10，kp=8參數不變，選擇增量式PID控制策略時，可得系統的響應曲線和誤差曲線如圖2所示。

從圖1，2可以看出，當選取參數在kp=8，ki= 0.1，kd=10時，增量式PID控制，不會產生超調，而是逐步地逼近理想給定參數，而普通PID控制會產生波動，容易上下浮動，產生超調，而由于超調量的存在，會對設備產生產生巨大的破壞或由于超扭等因素而出現緊急停機的現象，因此增量式PID控制比普通PID控制更適合。

4 結語

合適的控制參數是保證控制平穩的關鍵，本文選定參數保持不變，在選擇不同的控制策略時，增量式PID比普通PID控制不容易產生超調，平穩逼近到給定參數，更適合驅步電動機設計要求，應用更加合理。

［1］周大進，郭建強，王小峰，等.基于數字PID增量控制的恒溫晶體振蕩器［J］.現代電子技術，2012，35（19）：148-151.

［2］姚棟偉，吳鋒，楊志家，等.基于增量式數字PID的汽油機怠速控制研究［J］.浙江大學學報（工學版），2010，44（6）：1122-1126.

［3］文波，孟令軍，張曉春，等.基于增量式PID算法的水溫自動控制器設計［J］.儀表技術與傳感器，2015，12：113-116.

［4］張飛鴿.基于增量式PID算法的電風扇系統設計［J］.機械與電子，2016，34（12）：50-55.

［5］楊海燕，胡萬里，李金洋，等.增量PID控制算法在沼氣工程中的應用［J］.農機化研究，2016，2：252-255.

［6］田昊，云長江，彭毅.增量PID算法在某風洞壓力控制中的應用改進［J］.計算機測量與控制，2016，24（3）：64-66.

［7］熊家秦，熊銳，吳堅，等.增量式PID怠速控制策略在發動機上的應用［J］.廣東工業大學學報，2013，30（3）：109-112.

［8］羅天資，陳衛兵，鄒豪杰，等.直線電機模糊增量PID控制算法的研究［J］.測控技術，2011，30（2）：56-59.

［9］趙高超，楊鴻武，裴東，等.基于TMS320F2812的電機增量式PID控制系統［J］.儀表技術與傳感器，2014，6：106-109.

［10］朱衛云，付東翔，葛懂林.基于RBF神經網絡的永磁同步伺服電機控制系統［J］.電子科技，2016，29（1）：161-164.

Incremental PID Control Strategy Study of Some Drive Stepping Motor

CAO Pingjun1QU Linwei2WANG Qiang1，3LIU Feng4
（1.No.91257 Troops of PLA，Zhoushan316000）（2.703 Research Institute，CSIC，Harbin150078）（3.Naval University of Engineering，Wuhan430033）（4.The Bengbu Naval School of Petty Officer，Bengbu233000）

In this paper，the drive motor control model is studied as the research object，the incremental PID（Proportional In?tegral Derivative）control method is used to control the motor，and the calculating control response curve and the error of the given value are used to research the influence of different parameters on the control strategy and determine the appropriate control strategy.

incremental PID control，control strategy，drive motor

TP273

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.039

2017年2月9日，

2017年3月28日

國家自然科學基金的資助（編號：51579242）；科研項目（編號：425517K143）資助。

曹平軍，男，高級工程師，研究方向：裝備管理。曲林偉，男，碩士，工程師，研究方向：控制理論策略。王強，男，博士，工程師，研究方向：艦艇動力裝置。劉峰，男，工程師，研究方向：機電管理。