电机控制（四）——simulink实现三闭环位置控制

前言

此文章是对 https://blog.youkuaiyun.com/sy243772901/article/details/92832182 沉沙大佬 的学习总结，学习资料在链接中。

一、位置环控制

位置环控制搭建建立在双闭环控制基础上，增加了位置反馈控制
位置前馈控制器讲解：

前馈补偿思想：
​目标：通过预判扰动（如负载变化、摩擦力）或系统延迟，提前调整控制量，使输出尽可能接近期望值。
​特点：无闭环反馈，仅依赖输入信号（含扰动信息）进行计算。

信号处理步骤：
参考信号路径：Kwr是给输入信号（比如位置指令）提供一个增益，然后在K(z-1)/Ts是模拟系统相应延迟（几乎所有物理系统都存在信号传递和处理的延迟，比如传感器延迟：测量物理量（如位置、速度）需要时间。）
扰动补偿路径​：另一分支信号（如实时测量的扰动）经增益 Ka 放大并通过相同延迟模块处理。
示例：若扰动具有高频成分，可通过调整 Ka 快速补偿。
然后最后是信号的合成

二、参数整定过程

1.参数整定原则

原则1：初始参数设计为纯P调节器（Ki=0）​
​避免超调风险：
位置控制（如机械臂抓取、机床定位）通常严格要求零超调，否则可能导致物理碰撞或加工误差。
PI控制器的积分项（Ki）会持续累积误差，即使系统已稳定，仍可能导致输出“过冲”。
初始阶段关闭积分（Ki=0），仅用比例调节（P），可优先保证系统响应的快速性和无超调。
​简化调试流程：
从纯P开始，逐步引入积分（Ki），能更清晰地观察系统对指令的响应特性。
若直接启用PI控制，参数耦合可能导致难以分辨问题是源于Kp还是Ki。
示例：
机器人关节控制中，若指令为阶跃转角，纯P调节器可通过调整Kp使输出迅速跟踪指令，而不会因积分项导致角度过度旋转。
​原则2：初始Kp设为100
​平衡响应速度与稳定性：
位置环要求快速响应指令变化（如缩短上升时间），较大的Kp能放大误差信号，迫使控制器更快输出调节量。
初始值设为100是一个经验值，既不会因Kp过小导致响应迟缓（如机械臂动作滞后），也不会因Kp过大引发高频振荡。
​适配常见系统特性：
多数工业设备（如步进电机、伺服电机）的闭环带宽较高，可通过较大Kp实现快速响应。
100的初始值提供了一个基准，后续可根据实际测试结果（如超调量、稳态误差）进行微调。
示例：
若电机额定转速为3000 RPM，初始Kp=100可使位置环输出（即速度给定）迅速达到3000 RPM（假设误差为1单位时输出为100 * 1=100单位），从而加快定位速度。
​原则3：限幅值根据电机额定转速设置
​物理执行器保护：
位置环的输出通常作为速度环的给定值，若输出超过电机额定转速，可能导致电机过热、减速甚至损坏。
设置Upper/Lower限幅（如±3000 RPM对应额定转速），可确保控制量始终在安全范围内。
​避免系统不稳定：
过大的速度指令可能超出执行器的跟踪能力，导致位置环输出与实际位置偏差持续增大，引发失控。
限幅值相当于为系统添加了一个“硬约束”，防止控制器因追求快速响应而输出不可实现的控制量。
示例：
若电机最大转速为5000 RPM，则将Upper设为5000、Lower设为-5000，可防止速度指令超出电机能力范围。

2.详细整定过程

红线是给定位置，蓝线是实际位置，目的是让蓝线无限贴合红线

先给Kp=100，明显小了

再给Kp=1000，发现超调严重且有震荡

给Kp=250，效果明显好了很多，跟随反应更快

位置环参数优化过程 ：
上述输入为典型输入，且频率较低。在基本的调参结束后，对输入进行升频和
换形，再来观察效果，优化参数。

为什么要进行升频？
​核心目的​
通过提高输入信号的频率，观察系统在高频段的动态响应特性，从而优化控制参数（如PID增益、滤波器截止频率），避免以下问题：
高频共振风险​：系统可能存在固有共振频率，高频信号会放大振动或噪声，导致输出不稳定。升频可提前发现并抑制这类问题。
​带宽不足​：若系统带宽较低（如机械惯性大），高频指令信号会被衰减，导致响应延迟。升频可验证系统带宽是否满足需求。
​低频干扰掩盖高频特性​：实际系统中低频扰动（如负载波动）可能掩盖高频敏感性问题。升频可通过隔离高频信号单独分析系统性能。

为什么要进行换形？
通过改变输入信号的形态（如波形、幅值、相位），全面评估系统对非理想信号的鲁棒性和适应性，解决以下问题：
非线性系统特性​：实际系统（如电机、液压缸）存在非线性（如摩擦力突变），方波/三角波信号比正弦波更能暴露这类问题。
​噪声敏感性​：添加随机噪声或脉冲干扰，测试系统滤波能力和抗干扰能力。
​相位滞后验证​：使用不同相位的信号（如正弦波与延迟版本叠加），分析系统相位裕度是否充足。

总结

位置环调参的本质确实是在响应速度与稳定性之间寻找平衡。当系统响应速度快时，可能产生震荡；而追求稳定性时，又可能导致系统的快速跟随性能下降。所以调参的目的就是寻找这个中间区域。