廣西省南寧市西門子（中國）有限公司數字化工業分銷商合作伙伴-西門子變頻器一級總代理

01

PI (比例-積分)控制器簡介

PI（比例-積分）控制器是一種基本的控制算法，廣泛應用于自動控制系統中。PI控制器包含兩個主要部分：比例控制（P）和積分控制（I）。比例控制根據當前誤差值調整控制輸出，旨在快速響應系統偏差；積分控制則基于誤差的累積進行調整，以消除持續存在的穩態誤差。這種組合使PI控制器在系統響應速度和穩定性之間取得平衡。PI 控制器簡單易實現，適用于許多工程應用，如電機的扭矩控制和速度控制。

圖1 速度控制器

在 SINAMICS 伺服驅動系統中，速度控制器的架構可簡化如 圖1 所示，e(t)為誤差值、Kp 為比例增益、Tn 為積分時間 y(t) 為控制器輸出，其中 Tn與積分增益 Ki 互為倒數關系。控制器的輸出則可以表示為：

02

PI 控制器的應用與優缺點

優點

PI 控制器在動態需求的場合，可以有效解決 P 控制器跟隨誤差的問題，如 圖2 所示。在時間為 1 秒的時候，PI 控制器因為積分器的作用，反饋值逐漸追上給定值。而 P 控制器則始終有誤差存在，并且在穩態時仍舊有一較小的誤差。

圖2 給定與反饋

缺點

PI 控制器確保誤差可以收斂至零，但在暫態時由于積分控制的輸出仰賴誤差值的累加(圖3)與增益的乘積，不可避免的會造成響應的滯后，如 圖2 在 2 秒時使用 PI 控制的反饋曲線，可以簡單的理解為積分值需要釋放。

圖3 誤差值累加示意圖

03

點到點應用 - 套標機介紹

套標機廣泛的應用在罐裝飲料、藥品與各式容器的后道包裝，主要由以下機械模塊實現套標工藝：

以定長出標的模式為例，套標流程主要分為 4 個步驟，參考 圖4：

1. 傳感器檢測到來料

2. 刀盤切標

3. 送標皮帶走定長

4. 刷下電機將切好的標套至容器

圖4 簡化的套標機示意圖

套標機的脈沖給定由于工藝要求，套標需要快速定位到目標位置，脈沖給定通常不進行加減處理（圖5），且要求伺服電機定位不過沖。大多數套標應用為皮帶驅動的方式送標，關于這部分的優化可以參考先前的文章(點擊藍字直接跳轉): 《SINAMICS S200 PTI 高速貼標機應用的調試和優化》。

圖5 送標脈沖位置給定與位置、速度

04

 PI/P 切換功能縮短位置整定時間

對于套標機應用，套標的運行為點到點的定位，如果采用 PI 控制，在提高伺服器動態響應的同時，將會面臨超調或抖動的結果。SINAMICS S200 PTI 中，提供了 PI/P 切換的功能，通過 PI/P 切換可實現：

圖6 PI/PI 模式切換

PI/P 切換模式與其關聯的參數如下表：

表1 PI/P 切換模式與關聯參數

本篇文章以脈沖偏移量的模式進行調試，調試步驟如下：

表2 調試步驟

05

現場調試結果

圖7 是 S200 在套標機上優化后的測試結果，動態過程中具有較小的跟隨誤差，但在暫態時會有超調產生。圖8 則是啟用 PI/P 切換模式，動態過程雖然有較大的誤差，但在暫態時，僅在較小的誤差值才啟用積分控制，因此可以在不產生超調的情況快速收斂至目標位置。

圖7 優化后的控制結果

圖8 加入 PI/PI 模式切換

06

結語

SINAMICS S200 PTI 通過 PI/P 切換模式的啟用，工程師在套標機應用可以快速的完成伺服驅動器調試，并且在點對點的應用中也同樣可以采用此功能，提高設備運行的節拍。但需要注意的一點是，PI/P 切換會導致動態過程命令與反饋值存在較大的跟隨誤差，因此在需要動態跟隨的設備，如飛剪、追剪應用，會導致切點不準的結果。