【UG NX MCD 机电一体化概念设计】PID算法在 UG NX MCD 中的应用案例设计与实现（二）

需求描述

通过改变导轨倾斜角度，控制小球的位置。

模型

单自由度板球系统

模型部件有球、导轨

底座

MCD机电模型配置

添加刚体、碰撞体等，球碰撞体形状为胶囊

导轨碰撞体形状选择多个凸面体

添加距离传感器

添加铰链副和位置控制

运行结果

位置实时反馈，达到预期功能。

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PID原理

PID控制器，由比例调节（Proportion）、积分调节（Integral）、微分调节（Differential）组成。作用为使用比例、积分、微分这三种调节算法对输入的误差进行处理后，继而输出。
平行式PID公式上表达为：
$u(t)=K_{p}e(t)+ K_{i}\int_{0}^{t} e(\tau ) d\tau + K_{d}\frac{d}{dt} e(t)$
$u(t)$: 控制输出
$e(t)$: 误差, 即设定值 - 现在值
$K_{p}$: 比例增益
$K_{i}$: 积分增益
$K_{d}$: 微分增益
PID控制器示意图:

这两篇写得比较明白：

• 一文读懂PID控制算法（抛弃公式，从原理上真正理解PID控制）
• 离散PID

系统款图

板球系统总框图如下

PID算法编程方案

接下来，是进行编程方案的选择，是自己写还是调用成熟的PID算法。

方案可以分为外部信号方案和MCD内部方案，也可分为调用PID模块和自行
编写两种方式。

可采用PLC PID模块进行调节，与博图联合调试，采用PID功能进行调节
PID功能参见课程：TIA博途.探索之旅11_PID功能http://www.ad.siemens.com.cn/service/elearning/Course/1397.html

博主采用博图PLC来自行编写。

PLC编写PID控制MCD

Main[OB0]块中程序段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]块中程序段2：采用位置式

"error" := "set_position" - "in_position";
"errorall" := "errorall" + "error";
//积分限幅
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";//度数
"outposition_suan" := "out_positon_angle";

//输出限幅
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; //弧度输出



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

MCD首选项参数

摩擦过大，在小角度时，球无法滚动，适当调小

参数整定

1. 比例，越大响应越快，在目标角度两边摆动的幅度也大，同时稳态误差也越大。
2. 积分，积分部分的作用是消除稳态误差。
3. 微分，微分项能预测误差变化的趋势，实现超前调节。

一些调试图片


最终PID参数

视频演示和模型分享

视频演示

NX MCD pid板球控制 板球系统

模型分享：
最终源模型和PLC工程文件分享：在交流群（群号：1105076200）中分享。

模型开发环境如下，博图低版本可能打不开。

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

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