Servojärjestelmien ylityksen ymmärtäminen

Ylitys tapahtuu, kun servojärjestelmä ylittää sen tavoite-sijainti tai nopeus ennen laskeutumista. Tarkkuuden liikkeen ohjauksessa pienikin ylitys voi johtaa paikannusvirheisiin, värähtelyihin tai mekaaniseen kulumiseen. Juurisyy piilee liiallisessa varastoidussa energiassa. Olipa kyse liikevoimasta, kiinteästä windupista tai aggressiivisesta suhteellisesta hyödystä. Palautesilmukka ei voi hälventyä tarpeeksi nopeasti. Minimointi ylitys on erityisen tärkeää CNC-koneistus-, robottikokoonpano- ja lääkinnällisissä laitteissa, joissa tarkkuus ja toistettavuus ovat ensisijaisia.

PID Control ja sen rooli Ylitys

Suhde-integraalinen (PID) ohjain on edelleen yleisin palautemekanismi servojärjestelmissä. Suhteellinen termi ([]P[]) reagoi suoraan nykyiseen virheeseen; suuri voittonopeusvaste, mutta riski ylittää. Integraalinen termi ([]][]]]) poistaa vakaan tilan virheen, mutta voi aiheuttaa tuulennousun, kun toimilaite tyydyttää, johtaa suuriin ylityksiin. Johdannaistermi ([]]]D[]]]) ennakoi tulevaa virhettä reagoimalla virhetasoon; asianmukaisesti viritetty johdannaistoiminta voi vaimentaaa yliasentoa. Haaste on tasapainottaa näitä kolmea osaa ilman epävakautta.

Primaaristrategiat nollan ylityksen varalta

1. Tarkkuus PID-viritys

Oikea viritys on ensimmäinen linja puolustus. Ziegler-Nichols viritysmenetelmä on klassinen lähtökohta, mutta se tuottaa usein aggressiivisia vastauksia havaittavissa ylitys. Insinöörit voivat tarkentaa parametreja käyttäen Cohen-Coon menetelmä prosessien pitkään kuolleena aikoina, tai soveltaa moderni ohjelmistopohjainen optimointi (esim., parven optimointi tai geneettinen algoritmit) minimoida ylitys suoraan. Iteratiivinen manuaalinen viritys on edelleen arvokas:

  • Vähennetään suhteellista voittoa ([]Kp[]) alkuvirheen vasteeseen.
  • Lisätä johdannaisvoittoa ([]Kd[]) jarrujen toiminnan varmistamiseksi järjestelmän lähestyessä asetuspistettä.
  • Säilytä kiinteä voitto ([]Ki[]) kohtalaisena, jotta vältetään windup ja poistetaan vielä vakaata tilaa koskeva virhe.

Järjestelmällinen menettely. Kuten kaikkien voittojen asettaminen nollaan, minkä jälkeen []K[]p[][] kunnes ilmenee lievä ylitys, lisätään []K[]]d[[]]]] kosteuttaa sitä voi tuottaa kriittisen vaimean vasteen nollalla ylityksellä.

2. Feedward Control

Syöttöjärjestelmän ohjaus ennakoi tarvittavan toimilaitteen työn järjestelmän dynamiikan mallin avulla. Lisäämällä syöttöpellin reitin (esim. nopeuden syöttöt eteenpäin paikannussilmukoille, kiihdytyksen syöttöteittimen vääntömomentille), ohjain voi antaa ennalta tarvittavan ohjaussignaalin, jolloin takaisinkytkentä PID voi keskittyä vain jäljellä olevien virheiden korjaamiseen. Tämä vähentää ylitystä, koska järjestelmä ei perustu täysin virhelähtöisiin korjauksiin.

  • Velocity feedtle : lisätään termi suhteessa haluttuun nopeuteen.
  • Acceleration feedtel[: lisätään haluttuun kiihtyvyystasoon suhteutettu termi.
  • Värisyöte : johdettu kuormituksen käänteisestä dynaamisesta mallista.

Feedward toimii parhaiten, kun malli on oikea. Todelliset tekijät, kuten kitka, inertiavaihtelu ja epälineaarisuus, on kompensoitava yhdistämällä syöttötarjoilu mukautuviin tai oppimismenetelmiin.

3. Tuulinpoiston ja puristusten torjunta

Integraalinen windup tapahtuu, kun kiinteä termi kertyy virhe kun toimilaite on kyllästynyt, aiheuttaa suuria ylityksiä, kun virhe kääntyy. Standard anti-windup tekniikoita ovat:

  • Takalaskelma: kun tuotos tyydyttää, kiinteä termi lasketaan uudelleen todellisen ja tyydyttämättömän tuotoksen erotuksen perusteella.
  • Ehdollinen integrointi[: Integraattori sammutetaan kyllästystapahtumien aikana ja otetaan uudelleen käyttöön vain silloin, kun virhe on tallennetun kaistan sisällä.
  • Sytyttämällä kiinteä termi [: rajaa integroijan lähtö ennalta määriteltyyn maksimiin.

Lisäksi yleisen ohjaussignaalin (tuotossaturaation) puristaminen estää järjestelmää vaatimasta enemmän vääntömomenttia kuin kuljettaja voi antaa, mikä vähentää ylitystä nopeiden transienttien aikana.

Nollan ylityksen kehittyneet strategiat

1. Adaptiivinen PID Control

Järjestelmässä, jossa aikavaihteludynamiikka (esim. kuorman inertia, kitka tai lämpötila) on kiinteä PID-arvo, voi joissakin olosuhteissa johtaa ylitykseen. Mukautuva ohjaus muuttaa PID-parametrejä reaaliaikaisesti järjestelmän tunnistamisen tai suorituskykymittarien perusteella.

  • Gain aikataulutus[: ennalta laskettu PID-voitto eri toimintajärjestelmissä (esim. matala vs. suuri nopeus).
  • Malli Reference Adaptive Control (MRAC): ohjain yrittää saada servon käyttäytymään kuin vertailumalli, jossa on halutut ylitysominaisuudet. Voittoja mukautetaan sopeutuslain avulla, joka perustuu järjestelmän ulostulon ja mallin ulostulon väliseen virheeseen.

Kun se toteutetaan oikein, adaptiivinen PID voi pitää nolla ylitys kaikissa erilaisissa olosuhteissa.

2. Mallien ennusteiden valvonta (MPC)

Malli Ennuste Ohjaus käyttää dynaaminen malli servo järjestelmä ennustaa tulevia lähtöjä horisontin ja laskea optimaalisia ohjaussyötteitä. Ratkaisemalla rajoitettu optimointi ongelma joka vaiheessa, MPC voi nimenomaisesti valvoa rajoja ylitys, kiihtyvyys, ja toimilaite vaivaa. Toisin kuin PID, joka reagoi aiempiin virheisiin, MPC suunnittelee eteenpäin. Servo järjestelmiä varten yksinkertaistettu lineaarinen MPC kanssa quadratic kustannustoiminto voi poistaa ylitys kokonaan rankaisemalla ennustettu ylitys kustannustoiminnon. Tyypillinen toteutus sisältää:

  • Ennustushorisontti (esim. 10...20 näytettä).
  • valvontahorisontti (esim. 2... 5 näytettä).
  • Vaatimukset [] asennossa, nopeudella ja vääntömomentilla.

MPC on laskennallisesti raskaampi kuin PID mutta toteutettavissa nykyaikaisilla mikrokontrollereilla (esim. FPGAs, DSPs). Sitä käytetään laajalti korkean tarkkuuden vaiheissa ja robotiikka.

3. Kaskadivalvonta

Kaskadiohjaus käyttää useita pesiytyneitä takaisinkytkentäsilmukoita. Tyypillisessä servokaskadissa sisäsilmukka (virta/torni) on nopeuden sisällä, joka on sijaintisilmukkaan kuuluvan silmukkan sisällä. Kunkin silmukkan virittäminen erikseen mahdollistaa sisäsilmukoiden reagoinnin nopeammin, mikä vähentää ulomman paikannussilmukkaan kohdistuvaa ylitystä. Esimerkiksi hyvin viritetty nopeuden silmukka voidaan tehdä kriittiseksi, joten paikannusohjain näkee vain matalan järjestysjärjestelmän. Kascade ohjaus on standardi teollisissa ajureissa ja toimii, kun sitä yhdistetään syöttöpeleihin.

4. Häiriötarkkailijat (DOB)

Häiriötarkkailija arvioi ulkoiset voimat ja järjestelmän parametrit (esim. kitka, canging vääntömomentti) ja ruiskuttaa kompensoivan signaalin ohjaussilmukkaan. Perumalla häiriöt ennen kuin ne vaikuttavat lähtöön, DOB vähentää PID-palautteen taakkaa ja minimoi siten yliasennuksia. DOB toimii pääasiassa arvioidun häiriön syöttönä. Se voidaan toteuttaa käyttämällä häiriöarvion matalan pass-suodattimen avulla melun vahvistumisen välttämiseksi.

Järjestelmän mallintaminen ja tunnistaminen

Kaikki kehittyneet strategiat.Erityisesti syöttöteittimen, MPC, ja adaptiivinen ohjaus.Olet tarkka malli servo järjestelmä. Mallitunnistus edellyttää mittaus järjestelmän . Taajuusvaste tai askel vastaus ja asennus parametrit kuten inertia, vaimennus, ja kitka. White-melu tai chirp signaaleja käytetään yleisesti järjestelmän tunnistamiseen. Laatu mallin suoraan vaikuttaa ylitys: huono malli johtaa virheelliseen syöttöteippi tai ennustaminen, uudelleenkäynnistäminen ylitys. Insinöörit pitäisi validoida malleja koko toiminta-alueella.

Käytännön toteutus

Ihanteellinen viritys ja strategiat, reaalimaailma tekijät voivat uudelleen ylitys:

  • Anturimelu[: johdannainen toiminta vahvistaa melua, aiheuttaa chattering ja ylitys. Käytä suodattimia (esim., alhainen ohitus johdannaistermi tai nopeus palautetta).
  • Toimintalaitteen kyllästys [: vääntömomentin tai nopeuden raja-arvot. Tuulilasin ja syöttökelkan vasta-aineiden on oltava raja-arvoja.
  • Näytä jitterit ja viiveet[: vaikuttavat MPC:hen ja mukautuviin silmukoihin. Käytä kiinteitä näytemääriä ja asianmukaista aikataulua.
  • ]Ei-lineaarinen kitka[: keppi-liuku- ja kolofonikitka aiheuttaa ylityksen alhaisilla nopeuksilla. Lisää kitkasyöte- tai dither-signaalit.
  • Viestintä latenssi[: verkko- tai EtherCAT-pohjaisissa järjestelmissä latenssi voi heikentää silmukan vakautta. Käytä aikaleimattuja tietoja ja ennustesuodattimia.

Päätelmät

PID-ohjatuissa servojärjestelmissä nollan ylitys ei ole mikään yksittäinen tekniikka, vaan yhdistelmä kunnollista viritystä, syöttöteilausta, windup-vastaiskua ja kehittyneitä menetelmiä, kuten adaptiivisia säätöjä tai MPC-laitteita. Valinta riippuu järjestelmän monimutkaisuudesta, laskentaresursseista ja vaaditusta tarkkuudesta. Insinöörien tulisi aloittaa vankailla PID-viritys- ja tuuletuksenestojärjestelmillä, sitten kerrossyötetä, ja lopuksi harkita mukautuvaa tai ennustavaa valvontaa vaativimmille sovelluksille. Puuttumalla järjestelmällisesti yliasentoon liittyviin perimmäisiin syihin.Integraalinen tuuli ylös, aggressiiviset voitot ja mallin epävarmuus.

Lisätietoja: Control Engineering PID Tuning Guide, IEEE Paper on Feedlehti Servojärjestelmissä, ja []MathWorks MPC yleiskatsaus.