第5章伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性調節(jié)
伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)中重要的組成部分，是連接數(shù)控系統(tǒng)與機床本體的紐帶。 加工中心中，伺服系統(tǒng)接收NC發(fā)出的指令，經過伺服系統(tǒng)的變換和放大，發(fā)送給 伺服電機，伺服電機帶動傳動機構完成機床的控制運動。通過數(shù)控系統(tǒng)的控制過 程，可以看出伺服系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能的好壞，影響了數(shù)控機床的加工精度、可 靠性和穩(wěn)定性。PID調節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定性調節(jié)的典型方法，本章通過分析UMAC的 PID調節(jié)原理，對伺服系統(tǒng)的PID反饋、速度及加速度前饋進行了調節(jié)，使系統(tǒng) 獲得了良好的穩(wěn)定性、快速性和精確性。
5.1 PID控制原理
在工業(yè)控制中，PID控制是一種產生最早、應用廣泛的控制方法。由于其控制 原理簡單，可靈活調整控制參數(shù)，適應性強，在很寬的操作條件和范圍內都能保 持較好的魯棒性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，其應用于機械、航空航天、電子電力等領域[29]。
PID控制算法是模擬控制系統(tǒng)中最基本與常用的一種控制方法，即按照偏差信 號的比例、積分、微分進行控制的算法，簡稱PID控制。其控制系統(tǒng)原理圖如圖 5.1所示。在實際工程中，當控制對象的結構和參數(shù)難以完全掌握，或精確的數(shù)學 模型難以建立，運用控制理論綜合分析要付出很大代價，并且得到的效果與預期 效果有一定的差距，這種情況下往往采用PID控制。PID控制是以系統(tǒng)的檢測元 件反饋回的值與給定值進行比較得到的偏差值為輸入，通過比例控制（P)、積分 控制（I)和微分控制（D)計算出控制量進行控制，從而提高了控制系統(tǒng)的準確 性和穩(wěn)定性。PID控制器是一種比例、積分、微分三部分并聯(lián)的控制器，PID控 制的各部分作用如下[52_53]
1. 比例控制
比例控制是一種最簡單的控制方式，其作用是將輸入誤差線性放大（縮?。?， 從而減小輸入誤差。與具有滯后特點的積分控制控制相比，比例控制與誤差同步， 即當偏差產生時，比例控制隨即產生控制作用，用以減小偏差，但不能完全消除 誤差。用比例系數(shù)Kp可以衡量比例作用的強弱，增加（Kp)時，系統(tǒng)的動作靈 敏，速度加快，當Kp太大時震蕩次數(shù)增加，并且產生噪聲，調節(jié)時間加長；當Kp太小時，系統(tǒng)調節(jié)時間加長且穩(wěn)態(tài)誤差較大。系統(tǒng)中若存在穩(wěn)態(tài)誤差，增加 Kp值，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小，但會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2. 積分控制
積分控制可以消除偏差，其輸出量與輸入偏差值的積分成正比，積分控制輸 出信號的大小取決于輸入偏差和偏差存在的時間。若系統(tǒng)存在偏差，積分控制連 續(xù)地積累，調節(jié)器的輸出就有變化，調解機構動作，直到偏差減小到0,積分控制 停止工作。通過控制過程可以看出積分控制不能較快的根據(jù)偏差的變化做出調節(jié)， 具有滯后性。
3. 微分控制
微分控制可以根據(jù)偏差的變化速度而動作，其輸出與偏差微分呈正比，可以 預測出誤差的變化趨勢，有超前調節(jié)的作用。微分控制能在偏差信號變得太大之 前，在控制系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，提高系統(tǒng)的運動速度，從而減 小超調量，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。