定位控制系統

定位控制是指當控制器按照控制要求發出控制指令，將被控對象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定時間內穩定停止在預定的目標點處。定位控制系統即實現定位控制的系統。主要可分為開環位置伺服系統、半閉環位置控制系統、全閉環位置控制系統、混合閉環位置伺服系統。不管是在民用工業，還是在國民經濟建設中都有著極其廣泛的套用前景。

基本介紹

• 中文名：定位控制系統
• 外文名：Positioning  Control System
• 控制方法：PLC控制、嵌入式控制
• 套用：民用工業、國民經濟建設
• 所屬學科：控制科學
• 技術關鍵：定位控制算法

簡介

定位控制是指當控制器按照控制要求發出控制指令，將被控對象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定時間內穩定停止在預定的目標點處。定位控制是運動量控制的一種，又稱位置控制、點位控制。定位控制系統即實現定位控制的系統。

目前定位控制技術的發展過程中，定位控制方式的改善提高是以檢測技術的提高而提高的，從而定位控制算法成為定位控制技術的關鍵，是高精度定位的關鍵基礎。

控制方法

PLC控制

工業上的 PLC 和變頻控制結合的控制方法，套用較早，主要通過編碼器採集位置信號，控制器將採集的位置信號與設定的位置進行比較，通過變頻器控制電動機的轉速，從而實現預設的位置的準確定位。PLC 和伺服控制的控制方法除了有速度控制環之外，還有電流環、位置環，運行效率、定位精度進一步提高。

嵌入式

以嵌入式為基礎的FPGA 主控制器的定位控制，是在晶片上進行編寫程式，實現對電機的正反轉、調速及定位控制。專用控制軟體的定位控制，是在 Visual Studio.NET 等軟體工具平台上編寫上位機管理軟體，其中包括相應的控制程式。運動控制卡或PLC作為下位機，交流伺服系統作為運動控制的執行部件，組成了開放式的定位控制系統。該控制系統開發周期短、精度高、開放性好、人機界面友好。

發展及現狀

國外發展

近年來，計算機技術己滲透到各個學科領域，有力地推動著定位控制技術的發展， 目前，美國、同本、德國、韓國等國家的定位控制技術較領先，它們也相繼推出了一系列定位控制器。如美國的GALIL公司，自1983年成立之日起，專門致力於精密運動控制器的開發。現己被世界公認為運動控制領域的先驅及領導者。它開發的運動控制器採用32位微處理器，可以實現多種運動控制方式，定位精度可達±0.01mm，控制軸數可以實現1～8軸任選。同本在這方面技術也是領先的，如它們開發的DS-S(Slider type)型定位控制器，採用交流伺服電機，在保證最高速度330mm/sec下，重複定位精度可達±0.02mm。德國的費斯托(FESTO)公司也推出了它們的定位控制器，可以實現多軸、多點精確定位控制。另外，韓國inCOM技術公司通用定位控制器Robo系列也是目前性能較好的定位控制器之一。

國內發展

目前國內許多單位都在從事定位控制方面的研究工作，並取得了階段性的成果。但是，對於高速、高精度伺服定位控制技術方面，較國外還有較大的差距。推出的一些定位控制器，模擬伺服系統較多，且體系結構不夠開放，用戶接口不夠完善，部分還只是停留在專用性上，不適合批量生產。從目前看，我國雖然擁有巨大市場潛力，但致力於這方面研究的人員卻較少，且全數字伺服系統總體上還處於研發初期階段。

定位控制系統的結構分析

開環位置伺服系統

開環位置伺服系統是一種沒有位置反饋的位置控制系統。它的伺服機構按照指令裝置發來的位置移動指令，驅動機械作相應的運動，但並不對機械的實際位移量或轉角進行檢測，從而也無法將其與指令值進行比較。它的位置控制精度只能靠執行機構本身的轉動精度來保證。

半閉環位置控制系統

與開環位置伺服系統不同，半閉環位置控制系統是具有位置檢測反饋的閉環控制系統。它的位置檢測器與伺服電動機同軸相連，可通過它直接測出電動機軸旋轉的角位移，進而推知當前執行機械(如工作檯)的實際位移。由於位置檢測器不是直接裝在執行機械上，位置閉環只能控制到電機軸為止，所以稱之為半閉環，它只能間接地檢知當前的位置信息，且也難以隨時修正或消除因電動機軸與傳動鏈誤差引起的位置誤差。半閉環位置伺服系統一般採用伺服電動機(交流伺服電動機或直流電動機)作為執行電動機。伺服電動機與普通電動機相比，具有調速範圍寬和短時輸出力矩大的特點，這樣，系統設計時不必再為保證低速性能和增大力矩添置減速齒輪，而可將電動機軸與絲槓直接相連，使傳動鏈誤差與非線性誤差大大減小。另外，系統還可以採用節距誤差補償與間隙補償的方法來提高控制精度。存只強調重複定位精度的場合，工作檯的誤差也可以得到解決。

全閉環位置控制系統

它將位置檢測器直接安裝在工作檯從而可以獲得在工作檯實際移動的精確信息，通過反饋閉環實現高精度的位置控制。從理論上說，這是一種最理想的位置伺服控制方案。但是，在實際的系統中卻很少採用，主要是因為當時採用全閉環時，工作檯本身的機減傳動鏈也被包含在位置閉環中，伺服的電氣自動控制部分和執行機械不再相對獨立，傳動的間隙、摩擦特性的非線性、傳動鏈的剛度等都將影響控制系統的穩定，使系統容易產生機電共振和低速爬行。同時，工作檯上的負載變化也會對系統產生影響，給系統的整定造成困難。此外，由於工作檯被包含在位置閉環內，位置控制器的設計就得考慮這部分機械的傳輸特性。工作檯不同，機械的傳輸特性也有差異，這就給全閉上不位置伺服系統的通用性設計帶來困難，也不利於降低成本。

混合閉環位置伺服系統

人們指出一種混合結構的位置伺服系統方案。系統中同時存在半閉環和全閉環。系統工作時，半閉環起主要控制作用。由於半閉環中電氣自動控制部分與執行機械相對獨立，可以採用較高的位置增益，使系統易整定、回響快、跟蹤誤差小；而全閉環只用於穩態誤差補償，位置增益可選得較低以保證系統的穩定性。兩者相結合可最後獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。由於系統中同時存在兩個閉環，使系統的控制複雜程度大大增加，它們之間的配合、增益調整等都必須仔細整定，位置伺服系統也因之不再具有通用性。

意義及套用

定位控制技術是適應現代高科技需要而發展起來的先進控制技術，是高科技產品開發過程中不可或缺的關鍵手段，它套用現代電子、感測技術及計算機等高新技術，並綜合套用了機械技術發展的新成果，不管是在民用工業，還是在國民經濟建設中都有著極其廣泛的套用前景。如工具機定位、精密醫療器械、計算機硬碟定位系統、紡織、自動貼片等。現階段，作為定位控制領域中一個關鍵性技術難題．高精度定位，引起了各個國家的高度重視。定位控制技術作為現代高科技的重要組成部分．又推動著自動化生產、計算機、材料加工、醫療、紡織等相關領域的發展。因此，定位控制技術已成為國家科學技術的重要組成部分，它也是衡量一個國家科學技術水平的重要標誌。