名称调整

调节PID回路增益可以消除超调，减少调整时间，提高各种机型的稳定性。

伺服电机提供精确，准确，可重复的运动，courtesy of闭环反馈。然而，运动控制是一种系统级的解决方案。无论电机和反馈的质量有多高，如果系统没有为应用程序调整以产生可能的最佳运动，即使是最好的组件也会表现不佳。伺服控制和整定最常见的方法之一是比例，积分，微分(PID)回路方法。该PID回路提供了一个简单，灵活的工具来调整控制器，以获得所需的系统性能。

考虑一个单轴运动系统。控制器命令电机产生一定的转矩，将转矩转化为运动，然后反馈装置跟踪结果。在一个理想的系统中，被指挥的位置，x_c和实际位置，x_一个，都是一样的。然而，我们生活在现实世界中。机器会受到遵从和共鸣的影响。马达扭矩因单元而异。所有这些结合在一起就产生了位置误差E (t)．反馈装置将此信息发送给控制器，控制器使用此信息计算一个新的轨迹命令，以驱动系统更接近所命令的位置，并重复此过程。

在这种最佳情况下，系统到达x_c在一两个迭代中。在最坏的情况下，它在想要的位置上犹豫不决，导致机器发生振荡。该PID回路提供了一个工具，以调谐控制器增益，以实现所需的位置。

一种表示PID循环输出的方法如下:

在哪里K_p是比例项，K_我是一个组成的术语，和K_d是导数项。

通过单独调整每个条款，用户可以驱动错误的位置或解决时间到所需的水平。PID回路可以在硬件上实现，如模拟电子或数字，在软件中。硬件由集成在控制器中的三个电位器组成，可通过螺丝刀手动调整。软件解决方案，PID回路本质上是一个控制算法，提供一个不同的总体增益数取决于如何调整每个增益系数。

调整循环
方程[1]中各种增益项的名称来源于它们与误差项相互作用的方式。因此，它们倾向于在特征频带上作出反应。例如，比例增益项往往主要影响中频。顾名思义，K_p直接缩放误差项(见图1)。它主要用于调整系统速度。然而，它不能校正空间偏移。因此，如果比例增益被推得太高，控制器反复尝试纠正误差会使系统产生振荡。

积分反馈增益提供了消除偏移的方法，同时允许更快的响应（参见图2）。而不是与输入成正比，Ki随着时间的动作，而是通过错误间隔集成增益。例如，对于电动机的起始扭矩不足以克服轴承摩擦，可以校正积分反馈回路。在这种情况下，误差足够小，使得控制器无法命令足够的电流向电机进行足够的电流以实际打破起始摩擦扭矩，使系统无法关闭误差。增加比例增益可能会提供足够的肌肉来打破起始扭矩，但也可能引入过冲，更换另一个问题。“积分增益看到了更长的时间段的错误，因此增益不断增加并且越来越多，直到它实际突破自由，”Moog Inc.的产品/应用工程师“与集成商，您大部分时间都可以准确地了解你想去的地方。“

积分增益倾向于主要用于机器响应的低频分量。在整数下的误差项引入了一个正弦术语，因此即使使用数字化，积分器也会引入相位延迟。再加上过高的增益，这种阶段滞后会导致严重的问题。例如，如果系统过时，延迟可以创建一个可以将系统驱动到振荡的失控反馈循环。

输入衍生增益术语，K_d．就像积分环路提供了一种方法来校正比例增益引入的偏移一样，导数增益引入了一种相位超前，可以用来平衡积分器增益引入的相位滞后(见图3)。当然，这里存在权衡。导数增益主要对来自电气系统的高频输入产生反应，如果处理不当，会产生大量的噪声。“你开始放大来自EMC或任何类似性质的噪声问题，因此过高的导数增益会导致很多问题，”罗伯茨说。“我们在穆格所做的大多数事情，甚至都不包括衍生收益。”

交易技巧
因为这个过程在某种程度上是参数化的，所以收敛到一个解可能需要时间。罗伯茨开始调用步进命令，增加比例增益，直到系统开始振荡。“一旦你开始产生这种共鸣，就减少25%或30%。这是实现比例收益的良好起点。”

接下来，调用另一个步骤命令并检查空间错误。要纠正过冲，增加积分增益，但请注意，它又会增加频率响应。通过减少积分增益，您可以正确纠正。这是一个微妙的平衡行为。调整衍生增益也可以帮助修改过冲，但请记住它也增加了噪声。

Industrial Controls Consulting总裁Tom Bullock将这种方法称为IPD环路调谐，即根据增加频率响应的顺序来调整环路。“你从积分器开始，然后你需要在交叉频率上调整比例增益，否则你会得到一个不稳定的系统。你必须引入比例项来防止它振荡，然后引入导数项，它会给你更多的相移这样在交叉时你就能尽可能地把带宽挤出去"

比尔·韦斯特，全球应用工程总监Kollmorgen.（Radford），仍然是另一种技术。令人遗憾的是，诱惑到过度调整机器的诱惑，这最终会导致更多的磨损和早期失败。为了确保机器稳定到安全保证金，他建议使用每个PID环路的频率响应和时间响应调整。第一步是频率响应调谐，以建立基线调谐增益。第二步是使用时间响应技术来调谐运动性能。第三步是通过频率响应技术验证系统稳定性。

他提倡保守调整 - 使机器只能像它一样好。“如果你要求我为某种举动优化，我不会一直转到收益，因为机器将更稳定[与它们下降]，”他说。“我要试着得到我可以为机械磨损的所有边缘。”

调节PID循环是一个迭代过程。调整任何一种增益都会影响系统对其他两种增益的响应，因此进行更改需要彻底检查系统的性能。一旦你对你的结果感到满意，通过运行一个稳定性测试来确保机器不会在没有命令的情况下振动或以某种方式振荡。

陷阱避免
一般来说，运动设计者需要在系统服从命令的效率和抵抗干扰的效率之间找到平衡。为执行命令而优化的机器很可能容易受到噪声源的影响，例如，从编码器线到附近机器或轴的振动。与工程领域的许多事情一样，这是一个权衡的问题。韦斯特说:“一个自由度的PID很容易使系统容易地服从命令或容易地抑制干扰，但你不能两者都做到。”为了获得最好的性能，他主张在PID环路后添加一个低通滤波器。

Robert看到的最常见的问题是无法在机器的全频率范围内进行测试。每个系统都有由惯性、机械顺应等驱动的共振。他敦促说，如果你调整了你认为是你的全部音域，却没有遇到共鸣，那就继续下去。“在一定的频率下，你会开始获得共鸣。它通常发生在你的中断频率之后，当你不关心但它仍然在机器可能需要的操作范围内。调整整个频率范围，甚至比你认为可能需要的还要高。”

最重要的是，调整过程需要在实际机械系统的上下文中进行，在预期的负载下和预期的速度下。在没有将系统视为帐户的情况下，他们自身调整是类似于将玛莎拉蒂发动机丢弃到福特护送 - 它似乎是一个漂亮的想法，直到你意识到没有任何可以支持这种性能的护送。“

真正的机器有遵从性，共振频率，和其他类型的机械问题，防止收益被打开。如果这些水平被忽略，机器可能只会发出可听见的噪音，这是不可忽视的，特别是在没有指令移动的情况下——噪音意味着运动和磨损，或者可能是破坏性的共振。在最坏的情况下，糟糕的调优可能导致失控的振荡和损坏产品、机器和人员。

“我看过1500磅。当增益设置错误或反馈连接错误时，表格就会被打破。“我见过一块500公斤重的花岗岩被塞进一台机器的末端，弄断了机器的另一部分。”这是必要的集成安全通过控制，他强调。该算法需要能够切断电流或关闭，如果错误超过一定的水平。

最重要的是，要清楚绩效目标和优先级。如果你调整一条包装线以每分钟处理200到300个瓶子，那么整个范围内的性能会比你调整一个特定速率时的性能要低。也就是说，调谐范围越广，机器的适应性就越强。另一方面，一个紧密调谐的机器，会做一件事，并把它做好。然而，其他利率可能并非如此。罗伯茨说:“你可能会调到一个非常特定的频率，并为每分钟200个瓶子做出完美的反应，但机器以每分钟300个零件的速度扔出一个瓶子。”这是一个需要考虑的重要问题，因为终端用户倾向于推动远远超出其设计性能的机器。

最重要的是，要现实。“你永远不会得到你想要的，”罗伯茨说。“这是三种不同反馈的相互妥协，频率响应、超调和稳定性。确保你一开始就明白你的目标是什么，这样你就知道你在寻找什么，并了解问题所在。这样的话，你得不到的东西，也不会影响到你以后。”