基于PID算法的喂线机速度控制系统设计

高美玲

(黑龙江省冶金研究所，哈尔滨150040)

PID算法是一个闭环控制算法，它可以控制电机的转速，通过测量转速的传感器，将结果反馈到控制电路上，进行速度自整，使实际运行的速度和设定的速度保持一致，从而达到系统稳定。出于对喂线机生产精度的要求，对喂线机的调速系统应用PID算法，提高喂线机的喂丝精度。

1 设计方案

根据控制系统的要求，保证系统喂丝的精准度，设计调速子系统，设备调速的硬件结构示意图如图1所示。

图1 设备调速的硬件结构示意图

调速子系统采用闭环控制，运用PID运算进行速度自整，通过传感器反馈速度信息与给定速度做比较得到偏差，经过PID算法，重新输入电机，使电机运行的实际速度与给定速度基本保持一致，实现系统稳定，提高喂丝精度。

2 PID算法实现原理

PID算法实现原理图如图2所示。图中，r(t)是给定的运行速度，y(t)是控制系统实际运行的速度值，e(t)是给定值与实际输出值比较得出的控制偏差，u(t)是经过PID运算得出的电机的输入值。

图2 PID算法实现原理图

(1)比例环节的作用是对偏差发生的瞬间做出快速反应，KP增大可减小系统稳态误差，提高控制精度。但KP的增大也会降低控制系统的稳定性，甚至会造成系统不稳定。

(2)微分环节的作用是阻止偏差的变化，微分环节有助于增加系统的稳定性，能够减小稳态误差，但微分作用能够放大噪声信号。

(3)积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。积分环节可以提高系统的无差度，提高系统的稳态性能。比例环节与积分环节一起控制，能够达到既可使系统稳定又能提高无差度的目的。

离散的PID表达式:

控制器输出的是每一步的增量△u(k)，增量算式为:

3 得到PID参数

为了进行控制系统设计，需要对使用的电机进行建模，建模方法使用的是参数辨识，即测量电机对象的阶跃响应曲线，如图3所示。

图3 飞升曲线

得到电机的传递函数表达式:

将电机的传递函数化简并写成典型环节形式:

从图3的飞升曲线上可得到以下几个点:

然后使用高桥参数整定方法:

得到hmax=0.3074;k0=2。

得到如下PID参数:L0=1，Ki=0.8675，Kp=2.1687，Kd=0.9759～1.6265。

将高桥参数整定结果带入，simulink仿真图如图4所示。

图4 高桥整定PID参数后的阶跃响应曲线

在高桥整定的基础上微调PID参数，得到特性更好的阶跃响应曲线，如图5所示。

图5 整定微调后飞升曲线

满足要求的PID参数为:Ki=0.9，Kp=3，Kd=1。

4 稳定性与快速性测试

4.1 稳定性测试

图6是未加PID的电机，能够看出电机是不稳定的。

图7是加PID调节之后的电机，可以看出是稳定的。

4.2 快速性测试

取图7中3个点(4.8，1)、(6，1.018)、(10，1)，可以求得动态性能指标:

图6 未加PID的电机

上升时间4.8s;峰值时间6s;超调量(1.018－1)/1×100%=1.8%。

通过性能指标可以看出，通过PID运算，电机转速很快进入稳定状态，反应了系统的快速性。

图7 加PID的电机

5 结语

通过应用PID运算，提高了系统的稳定性，提高了喂线机的喂丝精度，对PID远算进行了稳定性与快速性测试，结果表明PID算法应用于喂线机调速系统，能够使系统快速进入稳定状态，且稳定状态伴随生产过程全程。