基于PSO-PID的电动位移装置伺服电机控制系统.pdf
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1、收稿日期:2022-12-28摇 摇 摇 摇 摇 摇 修回日期:2023-04-28基金项目:国家自然科学基金(52173219)作者简介:赵摇 静(1994-),女,硕士研究生,研究方向为电气传动及智能控制;通讯作者:尚建华(1983-),女,博士,副教授,研究方向为现代电子技术与系统、激光雷达信号探测及处理、激光遥感和材料无损检测等。基于 PSO-PID 的电动位移装置伺服电机控制系统赵摇 静1,张摇 彬1,孙嘉曈1,尚建华1*,唐顺兴2,王摇 杨2(1.东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620;2.中国科学院 上海光学精密机械研究所 高功率激光物理联合实验室,上海 201801)
2、摘摇 要:为了提高光学相位补偿器 SBC-IR 的控制精度,解决传统 PID 算法在自动控制过程中响应速度较慢、精度低等问题,更好地实现 PID 参数的智能整定与位置最优控制,采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化光学相位补偿器电动位移装置的直流伺服位置控制系统,实现对三环比例、积分和微分(Proportional Integral Derivative,PID)位置控制系统参数的自动寻优。首先,搭建电动位移装置的三环直流伺服控制系统模型,包括位置环、速度环和电流环;然后,采用PSO 算法对位置环的 PID 参数进行寻优,得到 kp、ki、kd 三
3、个参数的最优值,并对 PSO 算法优化直流伺服位置系统的控制效果与传统 PID 控制算法的控制效果进行对比。实验结果表明:采用 PSO 算法优化的电动位移装置三环伺服位置系统具有较好的控制性能,可以实现位置的高性能追踪,响应速度更快,并能在一定程度上提升电动位移装置的位移精度。关键词:电动位移装置;控制精度;直流伺服位置系统;三环 PID;粒子群算法中图分类号:TP273+2摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号:1673-629X(2023)11-0009-05doi:10.3969/j.issn.1673-629X.2023.11.002Servo Posi
4、tion Control System of Motorized Translation StageBased on PSO-PIDZHAO Jing1,ZHANG Bin1,SUN Jia-tong1,SHANG Jian-hua1*,TANG Shun-xing2,WANG Yang2(1.School of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Joint Laboratory of High Power Laser and Physics,Shanghai Instit
5、ute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201801,China)Abstract:In order to improve the control accuracy of the servo position system of optical phase compensator SBC-IR,improve theresponse speed and accuracy of the traditional PID algorithm during the control process,and
6、 realize the intelligent tuning of PIDparameters and optimal position control,the particle swarm optimization(PSO)was used to optimize the DC servo position controlsystem of the motorized translation stage of optical phase compensator.In this way,the three-loop PID position system parameters wereopt
7、imized automatically.Firstly,the three-loop DC servo control system model of the motorized translation stage was built including theposition loop,the speed loop and the current loop.Secondly,the PSO was used to optimize the PID parameters of the position loop,theoptimal values of kp,ki and kd were o
8、btained.Besides,the DC servo position system performance of the PSO algorithm and thetraditional PID algorithm are compared.The experimental results show that the three-ring servo position system of the motorizedtranslation stage optimized by the PSO algorithm is able to improve the control performa
9、nce including the high-performance tracking ofthe position,the fast response speed and the displacement accuracy of the motorized translation stage.Key words:motorized translation stage;control accuracy;DC servo positioning system;three-loop PID;particle swarm optimization0摇 引摇 言制造业的快速发展离不开机械加工精度,加工
10、精度的提高与测量技术的发展水平密切相关1。在众多测量仪器和设备中,电动位移装置主要用于驱动各种高精度自动检测设备工作。实际测量应用中,自动检测设备搭载在电动位移平台上,通过控制位移平台的前进或后退进而带动自动检测设备进行测量等工作。例如,借助电动位移装置驱动光学相位补偿器 SBC-第 33 卷摇 第 11 期2023 年 11 月摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇计 算 机 技 术 与 发 展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇Vol.33摇 No.11Nov.摇 2023IR,可实现对干涉光路相位差的自动补偿。因此,
11、电动位移装置控制系统的控制精度、响应速度、抗干扰能力等性能直接决定着自动检测设备工作性能的准确性和可靠性。该文搭建的电动位移装置是由直流伺服电机系统控制,用以代替传统千分尺驱动相位补偿器 SBC-IR进而实现光路相位的自动补偿。该系统具有控制简单、运动精度高的特点2,其中直流伺服系统的控制精度是准确实现相位补偿的关键因素,而传统 PID 直流伺服系统的控制精度低且 PID 参数是通过人工经验调节得到的,并不是最优参数 3。因此,传统 PID 直流伺服系统无法达到控制参数的最优化。针对上述问题,该文首先搭建了电动位移装置三环直流伺服 PID控制系统的模型,然后采用 PSO 算法优化位置环的PID
12、 控制参数,最终完成 PID 控制参数的智能整定,将优化后的参数代入。实验结果表明,通过智能算法与直流伺服位置 PID 控制系统的有效结合,不仅有效解决了电动位移装置直流伺服系统控制精度低的问题,而且实现了电动位移装置对位置环 PID 参数的自动寻优,进一步提高了电动位移装置的位移精度、动态性能和响应速度,并验证了直流伺服电机驱动相位补偿器实现光路相位自动补偿的可行性。1摇 电动位移装置直流伺服系统结构该文研究的电动位移装置直流伺服系统是以直流无刷电机为控制对象的三环直流伺服系统,由位置环、速度环和电流环组成,该三环直流伺服系统的结构框图如图 1 所示。iiSBC-IR图 1摇 三环直流伺服系
13、统结构框图摇 摇 图 1 中,基于电动位移装置的三环直流伺服系统从内到外依次为电流环、速度环和位置环。当给位置环输入目标位置量 兹r后,与光电编码器反馈的位置实际量 兹m做差得到位置误差值,该误差量首先经位置环作用,然后输出速度量 棕r到速度环,再经速度环调节后的输出量 i*输入到电流环,最后,电流环的输出量经功率放大后驱动伺服电机运转到目标位置 4-5,进而驱动相位补偿器实现光路的相位补偿。对于电动位移装置直流伺服控制系统而言,整个伺服系统由直流伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成,其中位置环的输入量直接决定着电机的转动角度(位移装置的移动位移量),而高精度的位置反馈控制元件和
14、速度反馈元件通常由光电编码器构成,该文也采用编码器作为反馈装置,将位置信号反馈回输入6。2摇 电动位移装置直流伺服系统模型为了建立电动位移装置无刷直流电机的数学模型,首先从直流电机的工作原理出发分析其转矩特性。建立数学模型时,不考虑齿槽效应的影响,并且假定电机的气隙磁通恒定不变,忽略温度效应和磁路饱和,忽略涡流和磁滞损耗7。直流电机的工作原理如图 2 所示,其中,E 电机电枢产生的感应电动势;Ce 感应反电动势系数(Vs/rad);U0 电枢电压(V);R移 电枢电阻(赘);L移 电枢电感(H);id 电枢电流(A);棕 转动角速度(rad/s);Te 电机电磁转矩(Nm);CT 电机的转矩系
15、数(kgm/A);TL 负载转矩(Nm);B 电机的粘性阻尼系数(Nms/rad);Tj 惯性转矩(Nm)。M图 2摇 直流电机工作原理感应电动势 E、电磁转矩 Te、电机转动产生的惯性转矩 Tj如式(1)所示8。E=Ce棕Te=CTidTj=Jd棕dt(1)01摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 计算机技术与发展摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷电机转动时,受摩擦阻尼转矩 Tf和粘滞阻尼转矩B棕 的影响,根据转矩平衡关系可得电机电磁转矩Te为:Te=Tf+TL+Tj+B棕 摇(2)其中,负载转矩
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