【UG NX MCD 機電一體化概念設計】PID算法在 UG NX MCD 中的應用案例設計與實現（二）

需求描述

通過改變導軌傾斜角度，控制小球的位置。

模型

單自由度板球系統

模型部件有球、導軌

底座

MCD機電模型配置

添加剛體、碰撞體等，球碰撞體形狀爲膠囊

導軌碰撞體形狀選擇多個凸面體

添加距離傳感器

添加鉸鏈副和位置控制

運行結果

位置實時反饋，達到預期功能。

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PID原理

PID控制器，由比例調節（Proportion）、積分調節（Integral）、微分調節（Differential）組成。作用爲使用比例、積分、微分這三種調節算法對輸入的誤差進行處理後，繼而輸出。
平行式PID公式上表達爲：
$u(t)=K_{p}e(t)+ K_{i}\int_{0}^{t} e(\tau ) d\tau + K_{d}\frac{d}{dt} e(t)$
$u(t)$: 控制輸出
$e(t)$: 誤差, 即設定值 - 現在值
$K_{p}$: 比例增益
$K_{i}$: 積分增益
$K_{d}$: 微分增益
PID控制器示意圖:

這兩篇寫得比較明白：

• 一文讀懂PID控制算法（拋棄公式，從原理上真正理解PID控制）
• 離散PID

系統款圖

板球系統總框圖如下

PID算法編程方案

接下來，是進行編程方案的選擇，是自己寫還是調用成熟的PID算法。

方案可以分爲外部信號方案和MCD內部方案，也可分爲調用PID模塊和自行
編寫兩種方式。

可採用PLC PID模塊進行調節，與博圖聯合調試，採用PID功能進行調節
PID功能參見課程：TIA博途.探索之旅11_PID功能http://www.ad.siemens.com.cn/service/elearning/Course/1397.html

博主採用博圖PLC來自行編寫。

PLC編寫PID控制MCD

Main[OB0]塊中程序段1：

IF "Tag_1" THEN
    // Statement section IF
    "kp" := 10;
    "ki" := 1;
    "kd" := 1;
    "set_position" := 10;
    "out_position" := 0;
    "out_positon_angle" := 0;
    "error" := 0;
    "error1" := 0;
    "error2" := 0;
    "errorall" := 0;
    "Tag_1" := 0;
END_IF;

Main[OB0]塊中程序段2：採用位置式

"error" := "set_position" - "in_position";
"errorall" := "errorall" + "error";
//積分限幅
IF "errorall" > 10000 THEN
    // Statement section IF
    "errorall" := 10000;
END_IF;
IF "errorall" < -10000 THEN
    // Statement section IF
    "errorall" := -10000;
END_IF;

"kdout" :=  "kd" * ("error" - "error1");
"kiout" := "ki" * "errorall";
//位置式
"out_positon_angle" := "kp" * "error" +"kiout"+ "kdout";//度數
"outposition_suan" := "out_positon_angle";

//輸出限幅
IF "out_positon_angle" > 20 THEN
    // Statement section IF
    "out_positon_angle" := 20;
END_IF;
IF "out_positon_angle" < -20 THEN
    // Statement section IF
    "out_positon_angle" := -20;
END_IF;

"out_position" := "out_positon_angle" / 180 * 3.14159; //弧度輸出



"error2" := "error1";
"error1" := "error";

MCD首選項參數

摩擦過大，在小角度時，球無法滾動，適當調小

參數整定

1. 比例，越大響應越快，在目標角度兩邊擺動的幅度也大，同時穩態誤差也越大。
2. 積分，積分部分的作用是消除穩態誤差。
3. 微分，微分項能預測誤差變化的趨勢，實現超前調節。

一些調試圖片


最終PID參數

視頻演示和模型分享

視頻演示

NX MCD pid板球控制 板球系統

模型分享：
最終源模型和PLC工程文件分享：在交流羣（羣號：1105076200）中分享。

模型開發環境如下，博圖低版本可能打不開。

• Window 10
• UG NX 1847
• TIA Portal V15.1 + S7 PLCSIM Advanced V2.0 SP1

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