0 引言

　　PMAC運動控制卡是性能優越、通用的一種運動控制器，本系統利用PMAC2A—PCI04運動控制卡為主卡，Acc-1P為軸擴展卡進行5～8軸數控系統集成，并應用于五軸數控技術試驗臺。數控技術試驗臺的控制環對系統的影響是巨大的，為了使數控技術試驗臺獲得良好的穩態特性和動態特性，必須對系統的控制環進行校正和調整。在工業自動化控制領域，PID控制算法一直起著非常重要的作用，解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，即系統的穩定性、快速性和準確性。隨著微電子技術及數字技術的不斷發展，模擬PID調解器逐漸被淘汰，由數字PID取代，數字PID是由程序實現的，其控制的靈活性和準確性更高，是目前控制系統廣泛采用的控制算法，當然，在不滿足控制要求的情況下，數字PID控制算法還可以和其他控制算法組合使用。PMAC運動控制卡包含了數字式“PID+NOTCH濾波器”，為改善位置控制性能提供了便利條件。

1 PMAC運動控制器中的PID

　　PMAC作為一個全數字伺服系統，利用計算機的硬件和軟件技術，采用新的控制方法改善系統的性能，可同時滿足高速度和高精度的要求。該系統的位置、速度和電流的校正環節PID控制由軟件實現；引入了前饋控制，實際上構成了具有反饋和前饋的復合控制的系統結構，使位置跟蹤滯后誤差大為減小，提高了位置控制精度。這種系統在理論上可以完全消除系統的靜態位置誤差、速度、加速度誤差以及外界擾動引起的誤差。PMAC提供了PID+速度／／JD速度前饋+NOTCH濾波的控制環算法，根據系統的要求來合理地調整其中的相關參數，最終可達到系統所要求的性能，能夠滿足幾乎所有場合的要求，用戶可以根據自己系統的要求來調整其中的相關參數。除此外，PMAC也為用戶的特殊要求提供擴展的伺服控制算法，并且支持用戶自己編寫的伺服算法(需要用戶熟悉Motorola 56000系列DSP CPU的匯編語言)。PMAC控制算法的原理如圖1所示。

圖1 PID+NOTCH濾波器

2 系統的PID參數整定

　　由于自動控制系統被控對象的千差萬別，PID的參數也必須隨之變化，以滿足系統的性能要求。PID參數的整定可以用理論計算法和實驗調整法，理論計算法往往不能滿足控制要求，在工程上常常采用實驗調整法。

　　2.1 PID參數整定的基本步驟

　　2.1.1 確定比例增益K_p

　　確定比例增益K_p時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令K₁=0，KD=0，使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60％～70％，由0逐漸加大K_p，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的Kp逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的K_p，設定PID的K_p為當前值的60％～70％。Kp調試完成。

　　2.1.2 確定積分系數K₁

　　比例增益Kp確定后，設定一個較大的積分系數K₁的初值，然后逐漸減小K₁，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大K₁，直至系統振蕩消失。記錄此時的K₁設定PID的積分系數K₁為當前值的150％～180％。K₁調試完成。

　　2.1.3 確定微分系數K_D

　　微分系數K_D一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定K_p和_K1的方法相同，取不振蕩時的30％。

　　2.1.4 微調

　　系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。

　　2.2 PID參數整定過程

　　PMAC的PID參數可以通過手動或自動的方式來設定，為了獲得較好的系統性能，我們采用手動的方式來設定系統的PID參數。PID參數的整定就是執行PMAC運動控制卡的PID執行程序來激勵電機，采集響應數據，繪制響應曲線，然后根據指標要求來評估響應。

　　下面具體來整定數控系統的PID參數。

　　整定之前，首先要檢查試驗臺連接是否正確，然后開機，運行PID執行程序。PID執行程序提供的信號源有7種，用戶還可以自定義信號源。在調整時主要用2種信號源，即階躍位置信號(positionsStep)和拋物線速度(parabolic velocity)信號，可以調整這2種信號的特性(信號的幅度、時間)。通過調整與系統特性相關的參數來調整系統的特性，改變了其中的參數以后，就可以執行階躍響應過程或拋物線響應過程。階躍響應過程主要用來調整系統的P，I，D等參數，而拋物線響應主要是用來調整系統的動態特性，涉及到的參數主要是速度和加速度前饋。調節界面如圖2所示。

圖2 PID執行程序界面

2.2.1 通過階躍響應過程調整系統的P，I，D參數

　　在線性定常控制系統中，階躍輸入信號是最差的激勵信號了，如果在階躍激勵作用下，系統仍然滿足要求的話，那么在其它外在激勵作用下就都滿足要求了，所以，如果以階躍函數作為系統的輸入量，并測出系統的響應，就可以獲得有關系統動態特性的信息。

　　以2號電機即Y軸電機為例，在PID調節界面選擇2號電機，設定好階躍信號的幅度和時間，選擇脈沖信號。PID參數的調節過程比較復雜，要通過響應曲線進行分析判斷，來確定下一步要調節的參數及其大小。依據前面所述PID調節的一般原則和步驟，逐步進行調節。系統的脈沖響應過程如圖3所示。

圖3系統的脈沖響應過程

　　調節時對照指令階躍響應(位置)和位置響應曲線的關系執行相應的調節。

　　圖3a為系統Kp=0時的響應曲線，由圖看出系統幾乎沒有響應，加大比例系數；圖3b表示系統存在振蕩，使系統不穩定，應該減小比例系數；由圖3c看出，系統的振蕩消失，此時的Kp=10 000，按照此值的70％取值，即取KP=7 000；圖3d的曲線表示系統出現超調，應減小積分系數；由圖3e可以看出系統超調減?。粓D3f的曲線比較理想，能夠滿足控制要求。

　　2.2.2 通過拋物線響應過程調整系統的動態特性

　　對于沒有前饋的位置伺服系統來說，跟隨誤差總是和速度、加速度成比例。伺服系統引入速度前饋和加速度前饋項后，通過用拋物線響應調節速度前饋和加速度前饋，可減小或消除系統跟隨誤差。通過系統的拋物線響應來進行系統的動態特性研究和評估，通過系統拋物線響應過程中的速度跟隨誤差來判斷系統動態性能的優劣。

　　調整方法是先調整前饋項，并運行一系列的拋物線運動以觀察效果，以減小跟隨誤差和相關系數為目的。從0開始，增加前饋增益(速度前饋，并設置加速度前饋為0，Ix35—0)，直到比率盡可能的接近0。

　　根據電機在不同速度前饋系數K_vff下的拋物線響應可知：

　　a．響應曲線(K_vff=0)表示系統在拋物線響應過程中速度跟隨誤差過大，主要原因是阻尼的影響，應該通過增加速度前饋系數K_vff加以調節。

　　b．響應曲線(K_vff=10000)表示系統在拋物線響應過程中速度跟隨誤差反相，主要原因是速度前饋系數K_vff過大，應減小K_vff加以調節。

　　c．響應曲線(K_vff=3 620)表示系統在拋物線響應過程中速度跟隨誤差到最小，而且集中在中部，沿運動軌跡均勻分布，是較理想的調節結果。

3 結束語

　　利用實驗調整法對基于PMAC的數控技術試驗臺的PID參數的整定，可實現系統響應速度快、控制精度高的目的，獲得良好的穩態性能和動態品質；同時，可以通過響應曲線的分析，進一步確定影響系統性能的系統參數，如摩擦、阻尼及頻率等，使我們在設計系統時就考慮系統參數的匹配性，從而提高系統的設計質量。