高精度激光直寫數(shù)字伺服濾波器的設計
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2．2 參數(shù)調節(jié)
在位置PID調節(jié)器中比例增益Kp的大小決定系統(tǒng)的快速性，積分增益Ki的作用是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。微分增益Kd的作用是增加阻尼，減少振蕩。調節(jié)過程是先調節(jié)Kp，再調節(jié)Ki，然后調節(jié)Kd。第1次設定Ki增益時，如果把Ki設定為一非O值將引起突然的“跳躍”。為避免這種情況，需要把積分限(積分部分的飽和控制器)設置為0，Ki設定為期望值，再設置積分限到期望的積分限。這樣就清除了所有以前的積分值，從而使積分從前一個點開始平穩(wěn)運算。接著調節(jié)Kvff，Kaff，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。最后調節(jié)Kf，從而克服摩擦力的影響。
在啟動階段調節(jié)Kvff，Kaff過大會使速度過快而導致位置過沖。在減速階段調節(jié)Kvff，Kaff過小，會使定位時間過長。根據(jù)最優(yōu)控制思想，如果系統(tǒng)按照最大加速度啟動，最大速度運動，最大減速度制動，就可以以最短時間無超調地達到協(xié)調點。因此，參數(shù)調節(jié)時應按照啟動，勻速，減速3個階段分別設置。
3 MATLAB設計與仿真
3．1 仿真模塊設計
根據(jù)設計原理，圖l中的偏差計數(shù)模塊就等效為帶前饋補償?shù)腜ID控制器，并設計成圖2中所對應的部分，并且將D／A轉換器等效設計成離散的數(shù)據(jù)通過零階保持器；將安川伺服驅動器等效速度環(huán)和電流環(huán)；輸出的信號采用仿真示波器進行觀察。因此整個伺服三環(huán)PID仿真原理如圖3所示。本文引用地址：http://2s4d.com/article/162570.htm
其中，rin(k)為采樣K時刻的位置輸入信號，為了能模擬實際的效果，將輸入的rin(k)設置為不規(guī)則的位置信號，此時輸入指令為正弦疊加信號；drin(k)為采樣K時刻的速度輸入信號；ddrin(k)為采樣K時刻的加速度輸入信號，并且drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))／ts，ddrin(k+1)=(drin(k+1)-drin(k))／ts。
3．2 仿真波形
對于高精度的激光直寫，衡量其性能主要取決于速度的穩(wěn)定、響應度和位置的精確。因此在圖3的仿真中，要根據(jù)實際情況，多次調節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)，并經過分析和對比，從中得到一幅速度穩(wěn)定、位置精確的跟蹤圖，其仿真波形如圖4所示。
圖4(a)為速度跟蹤結果，設置的速度和實際的速度重合，速度穩(wěn)定，穩(wěn)定控制在0．1％內。在0時刻附近出現(xiàn)了速度突然的“跳躍”，是由于沒有調節(jié)積分限。因此在實際情況中應先把積分限(飽和控制器)設置為O，Ki設定為期望值，再設置積分限到期望的積分限。
圖4(b)為位置跟蹤結果，輸出的實際位置和設置的目標位置重合。位置定位精確高，精度控制在0．1％內。
仿真結果表明在帶有摩擦條件下，位置跟蹤沒有存在“平頂”現(xiàn)象，速度跟蹤沒有存在“死區(qū)”現(xiàn)象。位置跟蹤定位精度高，速度跟蹤穩(wěn)態(tài)精度高。
4 軟件實現(xiàn)
伺服單元模塊由伺服驅動器設計，其參數(shù)調節(jié)可以在伺服驅動器中設置，詳細參考驅動器用戶手冊。PID數(shù)字濾波器+前饋復合控制系統(tǒng)由DSP2812實現(xiàn)。操作流程為：先將PID復合仿真模塊的MATLAB語言生成CCS中的C語言，然后移植到CCS軟件中，并根據(jù)PID控制算式原理結合軟件設計流程進行修改。
5 結論
介紹了伺服控制系統(tǒng)結構，針對系統(tǒng)中存在的摩擦環(huán)節(jié)和實際要求進行分析，然后結合根據(jù)控制原理，設計了伺服PID數(shù)字濾波器。通過MATLAB仿真驗證該數(shù)字濾波器速度穩(wěn)定；位置跟蹤誤差收斂于零。并從中得到了關于調節(jié)控制參數(shù)的經驗。最終的實際結果表明，整個系統(tǒng)輸入與輸出時差小于100 Ls；無噪音無振蕩；定位精度誤差控制±1μm范圍內。
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