5.3基于UMAC运动控制器的PID参数调节
准确的调节PID各参数可实现系统在高速运行的条件下  ，能够快速的做出响 应且不超调；机床在速度低的情况下  ，不产生“爬行“现象 。
PID参数整定主要有两种方法：理论计算法和试凑法[28] 。理论计算法主要是 根据建立的数学模型  ，通过大量的理论计算确定各参数  ，计算得到的数据还必须 通过进行实验并加以修改  ，而试凑法可以根据工程经验  ，直接在控制系统上进行 实验  ，通过观察响应曲线  ，根据算法控制原理不断的调整PID参数  ，直到得到理 想运动的控制参数值 。对于系统模型不容易建立的情况  ，试凑法相对简单  ，易于 掌握  ，因此工程常采用第二种方法调节PID参数值 。UMAC提供了一种调节PID 的软件Pmac Tuning Pro,该软件通过运行简单的运动命令  ，收集响应数据  ，绘制 曲线  ，为调整PID反馈参数提供依据 。该软件提供了 7种信号源  ，包括阶跃信号  ， 抛物线信号等  ，用户还可以自定义信号 。在这几种信号中阶跃信号是最差的激励 信号  ，抛物线信号会引起跟随误差  ，影响系统的稳定性 。一般情况下  ，位置阶跃 信号和抛物线速度信号在系统进行动态调节时经常被使用 。
5.3.1 UMAC中PID反馈参数调节
对于伺服系统中PID反馈调节  ，课题中选用试凑法  ，选择了阶跃信号（Position Step)调节Kp、Ki  ，Kd 。由于速度和加速度前馈对系统的阶跃响应无影响  ，因此 在阶跃响应调节时  ，令Kvff=0, Kaff=0[28] 。系统的动态性能的好坏可以反映在控 制系统阶跃响应曲线上  ，而评定系统阶跃响应性能的指标有超调量(Over shoot)、 上升时间(Rise time)和稳态时间(Settling time)[55] 。响应曲线接近理想曲线  ，而且上 升时间和稳态时间尽可能短  ，最大超调量尽可能的小是调试人员的调试目标 。
Pmac Tumng Pro软件提供了两种调节方式手动和自动调整 。自动调整适合刚 性好的系统  ，如电机和负载采用刚性连接 。若在系统刚性不是很好的情况下  ，进行自动整定会产生由于电机剧烈震荡所引发的危险  ，所以PID调节常采用的方法 是手动调节  ，其调节步骤如下：
1. 首先检查PEWIN执行软件与UMAC是否建立通讯、伺服系统是否已连接 正常及电机的控制方式 。由于课题的数控系统采用的是闭环控制  ，通过 PEWIN32PRO输入在线命令“#xxJ/”  ，保证各电机处于闭环状态下 。也可以使用 在线命令#n?查询电机的状态  ，若返回字为812xxxx则表示电机处于闭环状态； 若返回字为85XXXX则表示电机处于开环状态[4()] 。
2. 双击选择Pmac Tuning Pro,选择电机号  ，以#3为例进行调节  ，选择INTER 进入手动调整界面  ，调整界面如图5.4所示 。
在界面中“Trajectory Selection”栏中选择阶跃信号（Position Step)  ，并设置 Ixx31=0  ，Ixx33=0  ，IM=1  ，前馈控制参数 Ixx32=0  ，Ixx35=0 。此时 PID 反馈控制为纯比例控制  ，设定比例增益（Ixx30)的值从系统默认值（2000)逐渐增大 。当 Ixx30=4000时阶跃响应曲线如图5.5所示  ，从图中可以看出系统反应迟钝 。继续加 大Ixx30的值  ，从阶跃响应曲线的变化可以看出比例增益可以提高系统的响应速 度  ，使得响应曲线越来越接近阶跃曲线  ，但超调量逐渐增大 。当Ixx30=40000时阶 跃响应曲线如图5.6所示   ，在图中可以看出超调量比较大  ，而且出现了震荡现象  ， 此时系统稳定性不好 。对于这种情况应减小Ixx30的值或增大Ixx31的值  ，用于减小超调量和减轻系统的震荡 。在调节中  ，选择了保持

3.在保持不改变其他参数的情况下  ，增加微分增益（Ixx31)  ，在调整过程中  ， 从响应曲线可以看出Ixx31逐渐增大  ，超调量逐渐减小  ，系统的稳定性提高 。在阶 跃响应曲线图5.7中可以看出  ，超调量为0.0%,  ，震荡消失 。
4. 在保持比例增益Ixx30和微分增益Ixx31不变  ，其他参数也不改变的情况 下  ，调整积分增益Ixx33  ，当Ixx33=200时响应曲线与阶跃信号重合  ，图5.8为理 想阶跃响应曲线  ，此时曲线上升时间为0.020s  ，峰值时间为0.040s  ，超调量为0.0%  ， 阻尼为1.0 。

5.3.2控制系统速度/加速度前馈参数整定
在伺服系统调试中  ，常采用抛物线速度信号来调整系统的速度和加速度前馈 增益 。引入合适的前馈增益可以减小或消除跟随误差  ，反之  ，则增大跟随误差 。 在UMAC中速度增益和加速度增益分别对应Ixx32和Ixx35  ，首先调整速度增益
Ixx32,设Ixx35=0,其它增益参数保持不变 。在图5.4中的“Trajectory Selection” 栏中选择抛物线速度信号（Parabolic Velocity)  ，点击Do Aparabolic Move 。在 Ixx32=0  ，Ixx35=0时抛物线响应曲线如图5.9  ，从图中可以看出其跟随误差很大  ，图中绿色曲线代表跟随误差 。

逐渐增大Ixx32的值  ，跟随误差逐渐减小再逐渐增大  ，当Ixx32=5500时  ，抛 物线曲线如图5.10所示  ，此时的速度反馈偏大  ，应小幅度减小Ixx32的值  ，当 Ixx32=4700时跟随误差最小  ，如图5.11抛物线响应曲线（速度前馈最佳值）所示 。
速度前馈Ixx32调试稳定后  ，Ixx32和其他参数同样保持不变  ，增大加速度前馈Ixx35,观察抛物线响应  ，由于Ixx35对跟随误差的影响效果不大  ，所以应以1000为单位增加Ixx35 。当跟随误差分布在零线附近时  ，跟随误差值最小  ，稳定性好 。通过不断的调整  ，在Ixx35=20000处达到理想的抛物线速度曲线如图5.12所示 。

若系统的存在着谐振  ，设置好器节NOTCH滤波器  ，缩小到谐振表现 。其设置好的过程 ：寻找系统的的嗡嗡声概率  ，设置好带阻和带通滤波器的自然的概率和阻尼比率  ，使用NotchHlterCalculator机会可核算其分属Nl、N2、Dl、D2的值  ，其核算机会图甲5.13已知 。

滤波器中各参数之间相互联系  ，通过计算得到的参数  ，需要进行微调  ，以达到最佳的控制性能  ，满足加工需求 。
5.4本章小结
本章首先介绍了 PID控制原理  ，各参数的作用 。然后介绍了系统中UMAC提 供的“反馈+前馈+陷波滤波器“控制算法  ，对其控制原理及相关参数进行了分析  ， 根据控制原理在实验台上对系统的PID各参数进行了整定 。在调节过程采用阶跃 信号调节PID反馈参数  ，使用抛物线速度控制信号调整速度前馈和加速度前馈控 制参数  ，通过手动试凑法进行调节  ，获得了理想的响应曲线  。