材料成型設(shè)備第四章微機(jī)控制

材料成型設(shè)備第四章微機(jī)控制第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.1PID控制器數(shù)字化4.1.1模擬PID控制器PID控制器的理想化方程為：

PID調(diào)節(jié)器:按偏差的比例，積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器。

式中，e(t)為控制器輸入信號(hào)，一般為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差；u(t)為控制器輸出信號(hào)，一般為給予受控對(duì)象的控制信號(hào)；Kp為控制器放大系數(shù)；Ti為控制器積分時(shí)間常數(shù)；Td為控制器微分時(shí)間常數(shù)。第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2PID控制算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量u。因此模擬PID控制算法公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。單片微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖當(dāng)采樣時(shí)間T很小時(shí)，可以通過離散化，將這一方程直接化為差分方程。用一階差分代替一階微分，用累加代替積分。這時(shí)可用矩形或梯形積分來連續(xù)積分的近似值。用矩形積分時(shí)得：第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月位置算法k-1次采樣的輸出為:式中:

k次采樣的輸出為:兩式相減第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月增量式控制的優(yōu)點(diǎn)：（1）計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤差動(dòng)作影響小。（2）算式中不需要累加，增量字與最近幾次采樣值有關(guān)。（3）任何故障，或者切換時(shí)，沖擊小。位置式或增量式算法框圖增量式PID算法增量式PID控制：只計(jì)算控制量的變化量。第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月增量式PID算法如果用梯形積分形式逼近連續(xù)積分，則得減去相應(yīng)的u(k-1)后，又得到一個(gè)如下的遞推關(guān)系式：式中：

因此，如果已知模擬PID控制器參數(shù)Kp，Ti和Td，那么在采樣時(shí)間很短的情況下，可以從Kp，Ti和Td計(jì)算出參數(shù)q0，q1和q2。第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2PID算法優(yōu)化4.2.1PID積分分離控制在一般的PID控制方式中，在開始或停止工作的瞬間，或者大幅度地給定量時(shí)，由于偏差較大，故在積分項(xiàng)的作用下，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超調(diào)。積分分離作用曲線比較第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2PID算法優(yōu)化可以采用積分分離手段，即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用，直到被控制量接近新的給定值時(shí)，才可以在PID算式中，引入如下的算法邏輯功能。Ki為引入的邏輯系數(shù)：第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2可變?cè)隽縋ID控制可變?cè)鲆鍼ID控制器可等效。PIDu=f(e)·m

m（t）工業(yè)控制系統(tǒng)有時(shí)會(huì)提出這樣的要求，PID算法的增益是可變的，以補(bǔ)償手控過程的非線性因素。4控制算法為：e（t）u（t）可變?cè)鲆鍼ID方框圖第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

其結(jié)構(gòu)圖相當(dāng)于PID控制器再串聯(lián)一個(gè)非先性函數(shù)部分。實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆鍼ID算法的程序流程圖。所示由于微機(jī)實(shí)現(xiàn)非線性算法十分方便。因此得到了廣泛應(yīng)用。自適應(yīng)控制理論的發(fā)展也相應(yīng)的促進(jìn)了PID控制器的應(yīng)用。這種控制器能夠適應(yīng)受控對(duì)象特性大范圍的變化。4.2.2可變?cè)隽縋ID控制圖4.5可變?cè)鲆鍼ID算法程序流程圖第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3時(shí)間最優(yōu)的PID控制時(shí)間最優(yōu)控制又稱快速控制，既控制系統(tǒng)的給定值由一個(gè)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的過渡時(shí)間最短?！獱顟B(tài)向量；

——控制向量；

——輸出向量；

A、B、C——常數(shù)矩陣；由初始狀態(tài)X（t）=X0，到終端狀態(tài)X=0的時(shí)間最短，即

（約束條件：

）第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

所要求的最優(yōu)控制作用是

=1

（i=1，2，……

）

對(duì)于一個(gè)n階的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，至多開關(guān)（n-1）次。在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，最有發(fā)展前途的是Bang-Bang與反饋控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，即第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.6復(fù)式快速控制流程圖Bang-Bang與反饋控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，即

4.2.3時(shí)間最優(yōu)的PID控制第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4智能PID控制PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而能滿足大量工業(yè)過程的要求,且具有一定的魯棒性等特點(diǎn)。然而,現(xiàn)代的工業(yè)控制過程中,許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜,它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性特性,更突出的是從系統(tǒng)對(duì)象所能獲得的知識(shí)信息量相對(duì)地減少以及與此相反地對(duì)控制性能的要求卻日益提高。智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合,形成所謂智能PID控制。它具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)變化具有較好的魯棒性。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制是目前智能控制研究中最為活躍的領(lǐng)域,本文就其組成的幾種典型智能PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)分別給以介紹。第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.模糊PID控制模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)劃推理為理論基礎(chǔ),采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制器是一種新型控制器,其優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,而根據(jù)人工控制規(guī)劃組織控制決策表,然后由該表決定控制量的大小。該模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來,揚(yáng)長(zhǎng)避短,既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。為了改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能,通常在模糊控制器中引入模糊積分，下面介紹兩種模糊PID控制器：第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)混合型模糊PID控制器模糊控制器結(jié)構(gòu)是由一個(gè)常規(guī)積分控制器和一個(gè)二維模糊控制器相并聯(lián)而構(gòu)成的。常規(guī)PI控制器輸出為Ui和二維模糊控制器輸出量Uf相疊加,作為混合型模糊PID控制器的總輸出,即U=Ui+Uf,可使系統(tǒng)成為無差模糊控制系統(tǒng)?；旌闲湍：齈ID控制器第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)誤差e模糊積分的PID模糊控制器它是一種對(duì)誤差e的模糊值進(jìn)行積分的PID控制器,這種對(duì)誤差e的模糊值進(jìn)行積分的PID模糊控制器可用來消除大的系統(tǒng)余差。采用對(duì)被控對(duì)象的在線辨識(shí),然而根據(jù)一定的控制要求或目標(biāo)函數(shù),對(duì)PID控制器的3個(gè)參數(shù)(Kp,Ki,Kd)進(jìn)行在線調(diào)整。此外用計(jì)算機(jī)最優(yōu)化方法尋求最佳PID參數(shù)等方法。一種用模糊控制器對(duì)Kp、Ti、Td3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整的“PID自調(diào)整模糊控制器”。模糊控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,主要取決于模糊控制器規(guī)劃的建立和模糊關(guān)系的真實(shí)性。誤差e模糊積分的PID模糊控制器第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.專家PID控制專家控制是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí),以智能的方式來利用這些知識(shí),求得受控系統(tǒng)盡可能地優(yōu)化和實(shí)用化。專家PID控制系統(tǒng):用專家經(jīng)驗(yàn)來建立PID參數(shù)。它是在PID算法的基礎(chǔ)上,增加了誤差e和誤差變化△e以及查Fuzzy矩陣、查知識(shí)集、知識(shí)調(diào)整幾個(gè)軟件模塊。這種專家PID控制器能根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù),具有良好的控制特性和魯棒性。專家PID控制系統(tǒng)原理框圖第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3.智能PID自學(xué)習(xí)控制自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng):一個(gè)系統(tǒng)若能通過在線實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)，自動(dòng)獲得知識(shí)，并能將所學(xué)的知識(shí)用來不斷改善一個(gè)具有未知特征過程的控制性能。智能PID控制器采用規(guī)則PID控制形式，即在系統(tǒng)運(yùn)行的不同階段下，采用不同的PID參數(shù)。性能評(píng)價(jià)是要了解到智能控制器的性能及其好壞，以便及時(shí)修正PID控制器的參數(shù)。設(shè)置逆對(duì)象增量模型是將系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的結(jié)果折合到對(duì)應(yīng)受控對(duì)象的控制量u的修正量

u上去。特點(diǎn)是在智能PID控制即規(guī)則PID控制的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)對(duì)該控制器的控制性能的評(píng)價(jià)，將這個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)，從而使系統(tǒng)進(jìn)行自學(xué)習(xí)和自整定。智能PID自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制

以非線性大規(guī)模并行處理為主要特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是以生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為模擬基礎(chǔ),試圖模擬人的形象思維以及學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的能力。它具有學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想、容錯(cuò)、并行處理等種種能力,已在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?？刂破鬏敵隹蓪懗?Δu(k)=W1e(k)+W2[e(k)-e(k-1)]+W3[e(k-12e(k)+e(k-2)]

權(quán)系數(shù)(i=1,2,3)可以通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能來進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,故可大大提高控制器的魯棒性能。與常規(guī)PID控制器比較,無需進(jìn)行系統(tǒng)建模,對(duì)具有不確定性因素的系統(tǒng),其控制品質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng):神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作在線估計(jì)器,控制信號(hào)由常規(guī)控制器發(fā)出。首先,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照BP學(xué)習(xí)算法進(jìn)行離線學(xué)習(xí),然后介入控制系統(tǒng),一方面實(shí)時(shí)地給出最佳的PID控制器參數(shù),另一方面還要繼續(xù)學(xué)習(xí)不斷地調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元之間權(quán)系數(shù),以適應(yīng)受控對(duì)象的變化?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)框圖第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3PID參數(shù)整定方法4.3.1工程整定法1.采樣周期T的選擇確定采樣周期T太小，偏差信號(hào)也會(huì)過小，此時(shí)計(jì)算機(jī)將失去調(diào)節(jié)作用；若采樣周期T太長(zhǎng)，則將引起誤差。因此采樣周期T必須綜合考慮。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，另一種是經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法是一種湊試法，即根據(jù)人們?cè)诳刂乒ぷ鲗?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)以及被控對(duì)象的特點(diǎn)，先選擇一個(gè)采樣周期T，進(jìn)行試驗(yàn)，再反復(fù)改變T，直到滿意為止。第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.Kp,Ti,Td的選擇方法1)擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是簡(jiǎn)易工程整定方法之一，用它整定Kp,Ti,Td的步驟:選擇最短采樣周期Tmin，求出臨界比例度Su和臨界振蕩周期Tu。具體方法是將Tmin輸入計(jì)算機(jī)，只有P環(huán)節(jié)控制，逐漸縮小比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩。此時(shí)的比例度即為臨界比例度Su，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tu。選擇控制度為通常當(dāng)控制度為1.05時(shí)，表示數(shù)字控制方式與模擬方式效果相當(dāng)。根據(jù)控制度，查表4-1可求出Kp,Ti,Td。第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)TKpTiTd1.05PIPID0.03Tu0.014Tu0.53Su0.63Su0.88Tu0.49Tu—0.14Tu1.2PIPID0.05Tu0.43Tu0.49Su0.47Su0.91Tu0.47Tu—0.16Tu

續(xù)表1.5PIPID0.14Tu0.09Tu0.42Su0.34Su0.99Tu0.43Tu—0.20Tu2.0PIPID0.22Tu0.16Tu0.36Su0.27Su1.05Tu0.4Tu—0.22Tu第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2)擴(kuò)充響應(yīng)曲線法若已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性曲線，可以采用和模擬調(diào)節(jié)方法一樣的響應(yīng)曲線法進(jìn)行整定，其步驟如下。斷開微機(jī)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)手動(dòng)工作，當(dāng)系統(tǒng)在給定值處處于平衡后，給一階躍輸入。用儀表記錄被調(diào)參數(shù)在此階躍作用下的變化過程曲線，如圖4.12所示。階躍信號(hào)下的曲線第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時(shí)間t，對(duì)象時(shí)間常數(shù)

以及它們的比值

/t。根據(jù)所求得的

,t和

/t值，查表4-2求得值Kp，Ti，Td。表4-2擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)TKpTiTd1.05PIPID0.1t0.05t0.84

/t1.15/t0.34t2.0t—0.45t1.2PIPID0.2t0.15t0.78

/t1.0/t3.6t1.9t—0.55t1.5PIPID0.50t0.34t0.68

/t0.85/t3.9t1.62t—0.65t2.0PIPID0.8t0.6t0.57

/t0.6/t4.2t1.5t—t第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2經(jīng)驗(yàn)法在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計(jì)算困難，工作量大，往往其結(jié)果與實(shí)際相差較大，甚至事倍功半。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中采用的是經(jīng)驗(yàn)法。即根據(jù)各調(diào)節(jié)作用的規(guī)律，經(jīng)過閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。微機(jī)調(diào)速器參數(shù)最終要在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)好后，才能選出最優(yōu)參數(shù)。廠家有規(guī)定的參考值，有一個(gè)范圍，是理論計(jì)算出來的。因此要選擇出最優(yōu)參數(shù)，就必須在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)作記錄曲線后方能得到。第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)具體步驟如下：(1)首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需要用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。(2)當(dāng)僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，首先置積分常數(shù)Ti為一個(gè)較大值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會(huì)略為縮小(如減小20%)，然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。(3)若使用比例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，先置微分常數(shù)Td為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時(shí)相應(yīng)地改變Kp和Ti，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和參數(shù)。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-3常見被調(diào)量PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍被調(diào)量特點(diǎn)參數(shù)KpTi/minTd/min流量時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故Kp比較小，Ti較小，不用微分1～2.50.1～1溫度對(duì)象有較大滯后，常用微分1.6～53～100.5～3壓力對(duì)象的滯后不大，不用微分1.4～3.50.4～3液位允許有靜差時(shí)，不用積分和微分1.25～5第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4PID控制系統(tǒng)實(shí)例2.4.1厚壁管全位置焊接變?cè)鲆鍼ID弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)必要性厚壁管窄間隙全位置TIG焊弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)一般可以分為弧光傳感、電磁傳感和弧壓傳感。應(yīng)用弧光傳感是通過測(cè)量弧光的整體光強(qiáng)來測(cè)量弧長(zhǎng)，與給定值相比，差值經(jīng)過一定的算法輸出信號(hào)控制弧長(zhǎng)；電磁傳感是根據(jù)弧長(zhǎng)變化引起電磁變化，再將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)控制弧長(zhǎng)；以上兩種弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制器輔助裝置復(fù)雜，在生產(chǎn)應(yīng)用中受到限制。采用弧壓傳感控制電弧長(zhǎng)度的技術(shù)較為成熟，而且制造成本低，同時(shí)通過控制弧壓控制弧長(zhǎng)符合焊接操作者的傳統(tǒng)習(xí)慣，所以目前大多自動(dòng)焊接操作機(jī)都采用弧壓傳感控制弧長(zhǎng)，通過計(jì)算機(jī)控制和先進(jìn)的控制算法可實(shí)現(xiàn)焊槍運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度較高，完全能夠滿足焊接生產(chǎn)要求。全位置TIG管在焊過程中，由于鎢極的燒損、前道焊縫的成形、熔池變化、焊件幾何形狀及全位置空間變化等因素的影響，只有采用弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)功能，才能維持電弧長(zhǎng)度的恒定。弧長(zhǎng)過短，則電極和工件容易短路而損壞電極，也使電極金屬落進(jìn)熔池造成夾鎢；弧長(zhǎng)過長(zhǎng)，電弧的有效加熱面積增大，使熔深減小熔寬增加從而影響焊縫成形；使用脈動(dòng)添絲時(shí)，弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)重要性就更為突出。第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件組成弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件主要由焊接電源、弧長(zhǎng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、弧壓信號(hào)采樣系統(tǒng)和單片機(jī)接口電路及力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。圖2-12焊接電流和弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

在本控制系統(tǒng)中，電機(jī)的控制是采用脈寬調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行的。位置控制是采用控制弧壓來間接控制弧長(zhǎng)。當(dāng)單片機(jī)采樣到弧壓偏差后，采用一定的控制算法，給定控制電壓（0～5V）來控制脈寬調(diào)制芯片TL494輸出脈沖的占空比，經(jīng)功率放大為力矩電動(dòng)機(jī)電樞上電壓來控制其轉(zhuǎn)速，輔助以位控方式控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)與否，實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)控制（即位置控制）。力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2-13所示。

圖2-13力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)可變?cè)鲆鍼ID控制器的設(shè)計(jì)

在電弧長(zhǎng)度與弧壓之間的線性關(guān)系基礎(chǔ)上，可以用線性數(shù)字PID控制來實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。弧長(zhǎng)控制應(yīng)力求超調(diào)量小，而調(diào)節(jié)時(shí)間短，因而采用PID調(diào)節(jié)。連續(xù)PID控制器的理想方程為：(2-16)

其中

e(t)——控制器輸入信號(hào)

u(t)——控制器輸出信號(hào)

——控制器放大系數(shù)

——控制器積分時(shí)間常數(shù)

——控制器微分時(shí)間常數(shù)第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PID控制規(guī)律已能用微機(jī)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，形成所謂數(shù)字PID控制方法。用矩形積分代替連續(xù)積分的基本數(shù)字PID方程如下：(2-17)式(4-17)化為增量式PID算式，得

(2-18)第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月該系統(tǒng)用擴(kuò)充臨界比例度法整定出PID參數(shù)的初值，即采用純比例控制，逐漸增加放大系數(shù)，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩（見圖2-14），記錄此時(shí)的放大系數(shù)和振蕩周期，按表2-4計(jì)算PID參數(shù)。在不同的空間位置由于重力的影響，相同的輸入功率下其轉(zhuǎn)速是不一樣的，所以不同的焊接位置的最佳PID參數(shù)是不相同的。實(shí)驗(yàn)在12Cr1MoV鋼鋼管表面進(jìn)行，管壁厚35mm，管徑400mm，焊接規(guī)范為：焊接電壓U=10V；焊接電流I=60A；氬氣流量qv=6.5L/min。表2-4擴(kuò)充臨界比例帶法PID參數(shù)計(jì)算公式控制度調(diào)節(jié)規(guī)律Ts/Tcr

Kp/Kcr

Ti/Tr

Td/Tcr

1.50PID0.090.340.430.20

圖2-14系統(tǒng)的臨界振蕩過程

第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

測(cè)得Tcr=0.205s，Kcr=7.5，按控制度Q=1.5，選取采樣Ts=0.018s，將表2-4中各值代入式(2-18)中，得：(2-19)

分析:按Kp/Kcr=0.34，取Kp初值2.55。弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)的首要問題是防止鎢極與工件短路，所以在調(diào)節(jié)過程中，焊槍遠(yuǎn)離工件的調(diào)節(jié)速度要快，而靠近工件的調(diào)節(jié)超調(diào)要小，并且要在兩個(gè)方向弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)中采用不同的放大系數(shù)Kp，靠近工件調(diào)節(jié)過程的放大系數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些。同時(shí)應(yīng)該考慮，該焊機(jī)全位置焊過程中不同的焊接位置的最佳PID參數(shù)是不相同的，因此，系統(tǒng)采用根據(jù)實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)情況適當(dāng)改變PID控制器放大系數(shù)的方法。其基本原理是：如果調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度過慢，即往該方向調(diào)節(jié)困難，則應(yīng)增加該方向的控制器放大系數(shù)Kp；相反則減小。

第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月為改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)，在上述可變?cè)鲆鍼ID調(diào)節(jié)上做了一些改進(jìn)，這里主要考慮三方面的情況并采取相應(yīng)措施：（1）采用快速控制快速控制即在偏差很大的情況下，用開關(guān)控制的方式快速調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)迅速減小偏差。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)弧壓偏差大于1.5V時(shí)，采用快速調(diào)節(jié)，即快速調(diào)節(jié)PID控制(2-20)（2）采用積分分離的PID控制偏差較大時(shí)，在積分項(xiàng)的作用下，將引起系統(tǒng)過量的超調(diào)和不停的振蕩。為此，可采用積分分離對(duì)策。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)偏差大于0.8V時(shí)，取消積分作用。取消積分作用引入積分作用(2-21)式(4-14)取消積分項(xiàng)后為：----(2-22)

第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

為改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)，在上述可變?cè)鲆鍼ID調(diào)節(jié)上做了一些改進(jìn)，這里主要考慮三方面的情況并采取相應(yīng)措施。

1）采用快速控制快速控制即在偏差很大的情況下，用開關(guān)控制的方式快速調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)迅速減小偏差。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)弧壓偏差大于1.5V時(shí)，采用快速調(diào)節(jié)，即：

快速調(diào)節(jié)PID控制第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）采用積分分離的PID控制

偏差較大