初学者的PI速.doc

初学者的PID调速 背景： 偶然购买了智能小车配件,使用现在大热的arduino控制板，实现了wifi的小车运动。但是遇到了走不直，控不住的问题。上网google后，发现里面还有很大的学问，直到发现了一个名为PID的控制方法，可以控制电机转速。只有实现了PID调速，才有基础让小车走直线。 硬件准备： N20直流电机，配有1：145的金属变速箱。电机必须带测速。 Aduino nano控制板，主控芯片atmel328p。 实现电机控制的H桥电路板，带pwm输入。 供电电池。 软件准备： Arduino IDE开发环境。 串口猎人，收集数据，绘制可视化图像。 目的就是控制电机转速，但是如何入手是个门槛。 通过疯狂google，网上的偏重理论研究的很多，也有很多的学生毕业设计论文，但是都是说的不仔细不透彻。我本身工作多年,数学基础，自动控制理论也比较薄弱,看了也是云里雾里。正在发愁之际，点入丁老师的“嵌入之梦”网站。里面的一篇PID调速文章使用通俗易懂的语言介绍让我非常兴奋，给我一个不错的起点，总算是找到门了! 还是要先有个大概的理论。PID指的是（比例-积分-微分）控制器。要控制就要涉及到三个量：设定值（控制目的）、被调量（控制什么）、输出量（控制结果）。对应到直流电机上就是： 设定值：希望（给定）电机输出的转速 被调量：PWM占空比 输出量：实际电机输出的转速 实现自动控制保持速度恒定，有一个必不可少的东西，反馈。只有有了反馈才能知道如何调整被调量。假设我是控制小车的程序，我只有看到当前时刻的速度才能采取动作，是调快点还是调慢点。 电机上体现速度的数字量是单位时间内的电平改变的次数（ticks）。我设置的是引脚变化触发计数，有改变就计数。因此，速度 = ticks。对应的量就变为： 设定值：希望的单位时间内ticks 被调量：PWM占空比 输出量：实际单位时间内ticks 下面问题来了，如何测定ticks。程序可以通过定时器来计数，问题是这个采样时间怎么取？参考丁老师的文章“因为 PID 控制的基础是以周期 T 测量，计算出偏差后修正输出。而测量周期不能太长，那样响应将滞后；但过短也没有意义，因为对象的惯性特征，导致极小的时间间隔中不会有变化。根据小车电机的驱动特性，100ms 左右的周期比较合适。”这里我觉得我这个电机测速是放在转轴上未减速前，每圈有12个ticks应该可以再设短些，就设为15ms测速一次，30ms取上2次的平均值，作为测量输入,执行一次PID计算调整输出。 有了采样周期，就可以得到了2个量：设定值，输出量。下面就是建立被调量PWM与这2个量的关系了。 实现P控制器 再回到PID算法上来吧。我们现在知道了什么？有了设定值，有了输出值，那么就得到了偏差值。在时刻t ，e(t) = setpoint – inputMeter。Kp*e(t),就可以用来控制了PWM了。e(t)有可能为正，也有可能为负，快了就变成负值，慢了就变成正值，这正是我们想要的结果啊。赶快动手试一试： 结合我的情况我的给定值是40，测得的实际速度是25。最终稳定在25。Kp参数经过调整，直到不震荡的状态。 可以看到实际的输出值与想要的速度有一个恒定的误差，也就是专业术语的稳态误差了。 double error = mySetpoint - inputMeter; outputPWM = kp*error; //arduino 的调节范围就是0 - 255 if(outputPWM? 255)?outputPWM?= 255; if(outputPWM? 0)?outputPWM?= 0; 实现PI控制器 实现了p控制器后，我们来看看有什么能改进的。通过改变参数kp，直到系统不震荡就达到目的了。“系统不振荡”就是一个“参数整定”的过程。P控制器可以快速响应我们的给定，比如我改变速度为50。实际速度也跟着上去了。可是我给定了一个速度，实际却不能达到，我需要电机速度是40ticks，真实输出是25ticks。为了消除这个稳态误差，就需要积分控制器帮忙。下面涉及到的理论偏多。但是耐心思考下，还是比较容易理解的。所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为： 式中：TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。 这里说明下我们程序是在中断处理函数中进行。理论公式给出的是连续量，模拟式的表示方法。所以就要进行所谓的“离散化”。 离散化 离散化 u(t)对应的就是我们的pwm输出。Kp就是P控制器整定后的值。T就是设定的采样周期。Ti就是需要通过实际测试,需要整定的值。理论公式要求的积分，对应到我们实际程序编写就是把所有的误差加起来。积分 约等于 做加法。更直观一些积分就是求面积。j就是执行了多