浅析专家PID算法在喷墨印花伺服控制系统中的应用

李超

摘要：喷墨印花的精度及其效率，主要由伺服驱动系统来决定，由其驱动的喷印小车需要满足多方面的要求。不过在实际应用中，传统的PID控制器的效果并不理想。利用专家PID算法，并结合喷印小车的运动情况对PID参数进行及时的整定，由此得到的伺服控制系统能够满足喷墨印花的质量需要。本文就专家PID算法在喷墨印花伺服控制系统中的应用展开研究。

关键词：专家PID算法；喷墨印花伺服控制系统；应用

对于无刷直流电动机的控制，传统的PID控制技术有着方便、快捷、可适应性等特点，已被广泛的应用在当前的工业控制领域。不过，传统的PID控制器很难对PID参数进行整定，这对喷墨印花的质量影响很大。本文研究了专家PID算法在喷墨印花伺服控制系统中的应用，在相关运动过程中可依据系统误差及误差变化情况及时的调整PID参数。相比于传统PID控制技术，应用效果更加理想，能够有效地确保喷墨印花的精度及其效率。

1系统组成

喷墨印花的实现，首先由上位机软件打印图片数据及命令，并通过USB芯片Cypress68013传送至 FPGA主控制板，由其协调控制喷头驱动板等部件，从而实现完整的印花过程。

其中，FPGA 主控制板将方向、使能等信号传送至喷头伺服运动控制系统，然后驱动喷墨字车实现印花环节的各方面要求。一般来说，该系统需要实现正常打印、测试条打印、喷头清洗等要求。

操作过程中，喷头小车的运动并不是一成不变的，需不断地进行正反向运动，因此，喷头伺服运动控制系统需要具备动态性能好、反应迅速等特点。同时，喷印小车在做完相应的任务后，需及时的返回墨栈位置，这时候小车需要满足一定的保持力矩，避免小车脱离设定好的位置，进而導致不必要的损失。

本系统选取ST公司的STM32F103RBT6作为主控芯片，选用IR公司的IR2110S型前级驱动器。

2专家PID控制器设计

在实际操作中，无刷直流电动机有着一定的非线性特征，且参数不确定，因此由传统PID控制器实现的控制系统难以取得理想的效果。特别是在速率曲线存在很大变化，且不断启动的情况下，要想完成PID参数的整定难度非常大，往往难以确定一组适用于多个运动场合的参数。

通过线性优化，以及实际经验可较为容易地将PID参数限定在相应的范围内。再结合专家PID算法，无刷直流电动机的输出就有了更高的可靠性、稳定性。

2.1小车启动加速

在收到 FPGA 发出的明确指令后，电动机开始启动，依据专家系统，应用积分分离来控制PID控制器的参数。这就表示，在确保0超调量的前提下将Kp设定的尽量大，本次将Kp设置为10，以尽快的达到速度最大。这时候，为了有效的防止因为积分饱和而导致的输出速度变化，需将Ki设定为0。在这一过程中，为了尽可能的保证电流不超过额定电流，CPU的ADC电流采样模块要以PWM频率相同的速率对总线电流进行采集。

2.2小车稳定运行

在具体的运行阶段，因为喷墨小车的速度会根据任务需要而发生变化，控制器需要迅速予以响应，所以就应该结合目前的转速及目标转速的值科学合理的选择Kp、Ki和Kd值。 本文通过实际测验结合控制理论，构建了电动机转速与电压分段线性关系，根据这一理论开发的控制器能够实现PID参数的实时整定，从而实现了快速响应。

为了有效确保电动机的运行稳定性，还需引入积分参数，从而消除可能出现的静态误差。不过，在Ki太大时将会导致超调过大，在Ki太小时将难以有效的消除误差。依据相应的测试结果，将Ki的值设置为0.67，所取得的结果是最佳的。

2.3小车停车锁定

完成打印任务后，喷印小车需要尽快返回墨栈位置，以对喷头实施保护，这时候的喷印小车需处在锁定状态，如若不然，就有可能受到人为因素的影响，而脱离墨栈位置，使得喷头发生堵塞，或是其他损坏。当收到FPGA 传来的刹车指令后，电动机先是降低PWM，当速度降到设定阈值1以下后，在关闭上桥臂3个MOS管的同时，开启下桥臂3个MOS管，这一阶段，必须认真的检测总线电流，以避免电流过大而损坏电动机，而且可以对下桥臂MOS管进行PWM调制。当速度降到设定阈值2以下，在检测到停车指令后，马上让电动机反转，同时对速度值进行检测，当速度值变为零后，进行清零，同时保持当前通电相序，进入锁定环节。

在该环节，以编码器信号与电流采集信号作为输入信号，以通电的两相绕组的电压作为输出值，实现PI控制。当编码器信号发生变化后，提高PWM占空比，直至电动机返回锁定位置。

3试验结果

专家PID算法的应用，其超调量接近为0，调整时间接近为200 ms，而且在实际的运行过程中未出现稳态误差。与专家PID控制器比较，传统的PID控制器存在着超调量大，调整周期长等缺点。

在停车锁定阶段，依据反馈得到的各类信号，及时的对驱动器的PWM占空比进行调整，保证电动机的保持力矩，在满足设计需要的条件下降低电流环的超调量。同时，必须充分保证相应的电流在设定范围之内。如果电流太大，不仅会损坏配件，还有可能造成电动机的损伤，因此电流必须得到有效的控制。通过对电动机的受干扰情况进行分析，并观察PWM占空比增大的波形以及对应的电流曲线，表明这种技术能够满足喷墨印花小车的停车锁定需要，有着极快的响应速度，超调量也比较小。

4结语

试验结果表明，基于专家PID算法的控制系统运行稳定，相比于传统的控制器有着更加突出的性能。总的来说，本文所提出的专家系统运行良好，能够实时的对PID参数进行整定，因此输出结果更加精确、效率更高，能够更加有效地确保喷墨印花的精度。本系统还可以用作其他控制系统的参考模型，其中的线性关系的研究方法在其他控制器的设计中也有着极高的参考价值。而且，本控制器在实际应用中具有较高的可行性，运行成本也比较低。

参考文献：

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