基于改进PID的机电一体化设备智能控制探微

基于改进PID的机电一体化设备智能控制探微

王姝

身份证号：372925199411031323

摘要：现阶段，机电一体化设备控制方法所获取控制效果不够理想与有效。为促进设备可靠性水平的提升，就需要尝试对机电一体化设备智能控制方法及其效果进行深入研究。通过状态检测机电一体化设备运行情况的方式，采集设备运行期间关键参数，并通过对后台运行设备负荷率进行均匀分配的方式，使设备效率得到合理控制，并对机电一体化设备工作任务进行协同调度处理，以改进PID控制方法的方式，促进机电一体化设备智能控制目标的顺利实现。本文尝试对基于改进PID的机电一体化设备智能控制相关问题进行分析，经验证改进后PID控制方法能够稳定电机性能，降低振动幅值，展现出更为理想的控制性能。

关键词：PID；机电一体化；设备；智能控制

    机电一体化设备涉及到对机械工业技术与电子技术的融合，可靠性高且功能多样复杂。尤其是在现代设备技术持续发展完善的背景下，面向机电一体化技术的智能应用进程持续推进，基于机电一体化技术的设备应用范围持续扩展，应用深度也有所加深。但需要注意的是，当前机电设备应用领域中，引入机电一体化设备需要提供多个输入输出通道，负责对传感器信号进行接收，并面向执行器动作进行智能控制，但同时也导致了设备结构的复杂化发展，如何对这部分设备进行智能控制，成为业内人士高度关注的一项课题。尤其随着应用经验的累积，发现机电一体化设备受诸多干扰因素影响，如何加强设备抗干扰能力，同时提高其精密性，成为现代工业领域关注的问题之一。以下即尝试在机电一体化设备智能控制过程中引入改进PID方案，以提高控制效果，为机电一体化设备工作性能的提升提供可靠支持与依据。

1 基于改进PID控制方案

考虑到机电一体化设备运行环境始终处于较为复杂的状态，故而为提高机电一体化设备智能控制效果，就需要引入设备状态动态检测功能，以巩固智能控制效能。在此期间，为了评估机电一体化设备实际输入量与输出量间对应的线性程度，就需要科学计算其所对应线性度参数，所涉及到的相关参数包括拟合直线最大差值、校准曲线、输出信号量等。需要注意的一点是，对于机电一体化设备而言，受稳态持续作用因素影响，在传感器监测期间需要考虑其灵敏度变化量参数，该参数受传感器装置灵敏度变化量的影响。可以依托于传感器装置对机电一体化设备输入信号量进行检测，但受机电一体化设备运行期间松动、摩擦等因素影响，输入信号在测量条件一致状态下可能出现输出信号不同的问题，因此还必须对传感器检测期间所产生迟滞程度进行计算。考虑机电一体化设备运行期间智能控制的实际需求，需要明确设备对应的转速参数、耗电量、功率以及工作电压等一系列指标，以达到检测机电一体化设备运行状态的目的，满足智能控制需求。

为满足机电一体化设备智能化控制需求，确保各项任务功能得到顺利实现，就需要参考设备特点对任务内容进行合理分配，并落实任务调度策略，保障机电一体化设备控制功能的顺利实现。在此期间，可以尝试对PID控制策略进行改进，引入嵌入式操作系统，满足机电一体化设备控制任务调度功能，计算系统任务对应剩余价值密度，在此期间，与系统任务预期价值、任务已执行时间以及任务已产生价值等均存在对应关系。假定剩余价值密度为M（t），则可以描述如下：

    M（t）＝（系统任务预期价值－任务已产生即时价值）/（任务理论执行时间－任务已执行时间）；

在此基础之上，假定任务价值用p描述，当任务价值为1的情况下，可以生成参数p所对应的增函数关系式，其中所涉及到的因素包括任务优先级加权因子、任务工作量加权因子等。作为最为常见的机电一体化设备控制方案，为进一步优化智能控制效果，可以尝试对PID控制器进行改进，参考如下图（见图1）方式进行优化。在整个程序运行期间，可以通过改进PID控制器的方式，以误差变化率以及输入误差为依据，计算控制参数，并作为控制器参数实时整改的依据。在此过程当中，误差可以通过被控系统额定值－当前实际输出值的方式进行计算，在此基础之上配合参数控制量，满足机电一体化设备智能控制目的。在此过程中，可以对传统PID控制方法与模糊控制算法进行结合处理，作为调节PID参数的基本依据，并整定参数控制量，在调节PID参数的过程中，对控制器控制目的予以合理优化，以支持智能控制目标的顺利实现。

2 改进效果

   在步进信号已知的状态下，可以对电机受不同方法控制与影响所生成响应曲线进行分析，假定A组测试过程中剔除干扰因素，B组测定期间设置随机信号干扰，在此期间随机信号需要借助于统计方法进行阐述，且可以以一定的准确性范围为依据进行预测。在设定样本空间以及随机信号的过程中，可以生成与之对应的概率分布函数，将其定义为F（x）。在该函数关系式中，受P概率以及X随机信号的影响，q且随机信号取值在0~1范围内。进而我们可以尝试利用该甘薯关系式，对不同状态下的电机步进响应曲线进行分析。不难发现，在无干扰条件下， 基于常规PID控制方法而言，会对曲线振动产生较大影响，导致振动幅度过大，且控制精度相对偏低。而在改进PID方法作用下，能够有效缩短控制收敛时间，在1.003min状态下曲线已经倾向于平缓状态（传统方法下达到趋于平缓状态需要1.0056min以上）。该结果提示改进PID方法有较高的控制精度，对电机平稳有积极影响。而在干扰因素作用下，传统PID控制方法曲线波动幅度维持在0.92~1.20范围内，而改进后PID方法对应波动幅度在1.0~1.07范围内，提示改进后PID方法具有提高电机稳定性的优势。更为关键的一点是，在改进PID方法作用下，超调量能够得到合理控制，促进振动幅度的削弱，这对于加工工件表面质量的提升有积极意义。

    同时，为进一步分析改进后PID方法的优势，可以尝试假定电机启动时间维持一致性状态，以评估不同方法对电机的控制效能，重点对电机转速曲线以及力矩曲线进行分析。从电机转速曲线变化趋势的角度上进行分析，传统控制方法下电机转速始终处于不稳定状态下，波动容易出现在0~0.01s以及0.07~0.08s范围内，此状态下会导致转矩波动明显，影响电机稳定性。而在改进后PID方法作用下，电机转速基本自0.01s开始趋向于平缓状态，这对于我们对给定速度的持续性跟踪有积极意义，且能够使转矩曲线处于平滑过度状态下。而从力矩曲线变化趋势上来看，传统PID控制方案下所对应的力矩波动维持在较大水平，但改进后PID控制方法下，电机所表现出的稳定性更好，综合性能更为理想。

3 结束语

    以上分析中尝试对机电一体化设备性能状态进行动态检测与评估，对设备间工作任务进行协同调度处理，并配合对PID控制方法的改进，形成机电一体化设备智能控制方法，对后续研究有一定的参考价值。但需要注意的是，受一系列因素影响，本文上述研究内容还有较大的改进与完善空间，未来研究中可以尝试自数控机床这一单一设备开始进行扩展，尝试对两种不同设备以及更多机电一体化设备控制方式进行研究与验证。在此期间，配合对智能控制技术的合理应用，在改进PID控制方法的辅助下，能够使设备控制具备更为理想的动态静态性能。

参考文献：

[1] 马帅,王玉有,杨理,等. 基于改进粒子群优化PID的矿用机电设备控制策略[J]. 工业仪表与自动化装置,2023(5):115-119.

[2] 李可,米捷. 基于变结构PID的仿生机器人机电控制算法[J]. 河南工程学院学报（自然科学版）,2016,28(2):32-37.

[3] 罗艳蕾,杜黎,周山旭,等. 基于模糊P ID的冲裁机电液比例位置控制系统仿真研究[J]. 机床与液压,2021,49(22):160-163.

[4] 孙启云,刘清倦,周亚,等. 基于微机电系统和BP PID控制算法的露点仪设计[J]. 实验室研究与探索,2018,37(8):61-64,120.

[5] 赵谦,凌玉华,廖力清,等. 基于单神经元自适应PID的摩擦试验机电惯量系统的研究[J]. 计算机工程与科学,2010,31(2):121-123,138.