[發(fā)明專利]一種基于衰減曲線法的直線電機(jī)PID控制器的設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810740577.4
• 申請(qǐng)日: 2018-07-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108875268A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王慶燕;周志云;楊忠;卞建龍;張偉;楊永平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇迅達(dá)電磁線有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京連和連知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11278
• 代理人: 奚衡寶

本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人使用一種基于衰減曲線法的直線電機(jī)PID控制器的設(shè)計(jì)方法，屬于工業(yè)機(jī)器人直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，首先建立直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后在MATLAB2014.a版本中Simulink環(huán)境下搭建整個(gè)仿真圖。在此基礎(chǔ)上，再利用衰減曲線法進(jìn)行直線電機(jī)PID控制器參數(shù)的整定，若仿真后系統(tǒng)響應(yīng)曲線效果不好，在此基礎(chǔ)上利用試湊法進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)。本發(fā)明的有效益處是：相比于傳統(tǒng)的試湊法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定，本方法可以減少大量的整定時(shí)間，操作簡(jiǎn)單，另外本方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)PID控制器參數(shù)的最佳整定。經(jīng)模型仿真，結(jié)果表明該方法可以取得較好的效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人的直線電機(jī)PID控制器的設(shè)計(jì)，屬于工業(yè)機(jī)器人直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短50多年的時(shí)間中，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一種主流驅(qū)動(dòng)方式，而直線電機(jī)由于其適應(yīng)非常高速和非常低速的應(yīng)用，高加速度，高精度，無(wú)空回，磨損小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需減速機(jī)和齒輪絲杠聯(lián)軸器等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)直流電機(jī)控制技術(shù)的研究基本可分為三個(gè)方面：傳統(tǒng)控制技術(shù)、現(xiàn)代技術(shù)和智能技術(shù)。傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制，解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其中PID控制技術(shù)蘊(yùn)含動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去，現(xiàn)在和未來(lái)的信息，具有較強(qiáng)的魯棒性，是其最基本的控制方式。

PID控制系統(tǒng)發(fā)展至今，工程整定方法主要是臨界比例法，衰減曲線法、試湊法以及反應(yīng)曲線法。但臨界比例度法要求系統(tǒng)等幅振蕩，而且還要經(jīng)過(guò)多次試湊后才能取得較好的系統(tǒng)響應(yīng)曲線；試湊法非常耗費(fèi)時(shí)間和精力，而且需要反復(fù)調(diào)節(jié)參數(shù)；反應(yīng)曲線法需要預(yù)先測(cè)量反應(yīng)曲線，在某些工藝對(duì)象上的約束條件比較嚴(yán)，測(cè)試有困難，且干擾因素較多，因此應(yīng)用場(chǎng)合有限。而衰減曲線法相比較前3種方法，較為簡(jiǎn)單，方便，更適用于工程應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)將衰減曲線法應(yīng)用到確定直線電機(jī)PID控制器參數(shù)中，并結(jié)合試湊法，仿真結(jié)果表明，該方法可以取得較好的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決技術(shù)問(wèn)題是：克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)。提供一種造價(jià)低、可靠性高以及簡(jiǎn)單方便的直線電機(jī)PID控制器。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出如下的技術(shù)方案：

一種基于衰減曲線法的直線電機(jī)PID控制器的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1）根據(jù)直線電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)建立直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；

步驟2）在MATLAB軟件Simulink環(huán)境下搭建直線電機(jī)PID控制器的仿真模型；

步驟3）在仿真模型的基礎(chǔ)上，利用衰減曲線法進(jìn)行確定直線電機(jī)PID控制器的參數(shù)；

步驟4）根據(jù)衰減曲線法計(jì)確定PID控制器參數(shù)，然后利用仿真模型分析系統(tǒng)響應(yīng)曲線，若響應(yīng)曲線不理想，則再利用試湊法進(jìn)行微調(diào)，以取得較理想的響應(yīng)曲線。

所述步驟1）中的直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立包括如下內(nèi)容：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一種主流驅(qū)動(dòng)方式，而直線電機(jī)由于其適應(yīng)非常高速和非常低速的應(yīng)用，高加速度，高精度，無(wú)空回，磨損小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需減速機(jī)和齒輪絲杠聯(lián)軸器等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)特性可知，直線電機(jī)微分方程為 （1）

其中，L為線圈電感，m為直線電機(jī)動(dòng)子的總質(zhì)量，k為彈簧的彈性剛度，c為阻尼系數(shù)，k_m為直線電機(jī)的力常數(shù)，R和L分別表示線圈回路電阻、線圈回路電感，k_E為直線電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，x(t)為輸出量，U（t）為輸入量。