第5章伺服系统的稳定性调节
伺服系统是数控系统中重要的组成部分  ，是连接数控系统与机床本体的纽带 。 加工中心中  ，伺服系统接收NC发出的指令  ，经过伺服系统的变换和放大  ，发送给 伺服电机  ，伺服电机带动传动机构完成机床的控制运动 。通过数控系统的控制过 程  ，可以看出伺服系统的动、静态性能的好坏  ，影响了数控机床的加工精度、可 靠性和稳定性 。PID调节是系统稳定性调节的典型方法  ，本章通过分析UMAC的 PID调节原理  ，对伺服系统的PID反馈、速度及加速度前馈进行了调节  ，使系统 获得了良好的稳定性、快速性和精确性 。
5.1 PID控制原理
在工业控制中  ，PID控制是一种产生最早、应用广泛的控制方法 。由于其控制 原理简单  ，可灵活调整控制参数  ，适应性强  ，在很宽的操作条件和范围内都能保 持较好的鲁棒性和系统稳定性  ，其应用于机械、航空航天、电子电力等领域[29] 。
PID控制算法是模拟控制系统中最基本与常用的一种控制方法  ，即按照偏差信 号的比例、积分、微分进行控制的算法  ，简称PID控制 。其控制系统原理图如图 5.1所示 。在实际工程中  ，当控制对象的结构和参数难以完全掌握  ，或精确的数学 模型难以建立  ，运用控制理论综合分析要付出很大代价  ，并且得到的效果与预期 效果有一定的差距  ，这种情况下往往采用PID控制 。PID控制是以系统的检测元 件反馈回的值与给定值进行比较得到的偏差值为输入  ，通过比例控制（P)、积分 控制（I)和微分控制（D)计算出控制量进行控制  ，从而提高了控制系统的准确 性和稳定性 。PID控制器是一种比例、积分、微分三部分并联的控制器  ，PID控 制的各部分作用如下[52_53]
1. 比例控制
比例控制是一种最简单的控制方式  ，其作用是将输入误差线性放大（缩小）  ， 从而减小输入误差 。与具有滞后特点的积分控制控制相比  ，比例控制与误差同步  ， 即当偏差产生时  ，比例控制随即产生控制作用  ，用以减小偏差  ，但不能完全消除 误差 。用比例系数Kp可以衡量比例作用的强弱  ，增加（Kp)时  ，系统的动作灵 敏  ，速度加快  ，当Kp太大时震荡次数增加  ，并且产生噪声  ，调节时间加长；当Kp太小时  ，系统调节时间加长且稳态误差较大 。系统中若存在稳态误差  ，增加 Kp值  ，系统稳态误差减小  ，但会影响系统的稳定性 。
2. 积分控制
积分控制可以消除偏差  ，其输出量与输入偏差值的积分成正比  ，积分控制输 出信号的大小取决于输入偏差和偏差存在的时间 。若系统存在偏差  ，积分控制连 续地积累  ，调节器的输出就有变化  ，调解机构动作  ，直到偏差减小到0,积分控制 停止工作 。通过控制过程可以看出积分控制不能较快的根据偏差的变化做出调节  ， 具有滞后性 。
3. 微分控制
微分控制可以根据偏差的变化速度而动作  ，其输出与偏差微分呈正比  ，可以 预测出误差的变化趋势  ，有超前调节的作用 。微分控制能在偏差信号变得太大之 前  ，在控制系统中引入一个有效的早期修正信号  ，提高系统的运动速度  ，从而减 小超调量  ，改善系统的稳定性 。