电机控制进阶1——PID速度控制

码农爱学习 发表于 2021/07/10 13:54:28 2021/07/10
【摘要】 之前的几篇文章(电机控制基础篇),介绍的电机编码器原理、定时器输出PWM、定时器编码器模式测速等。 本篇在前几篇的基础上,继续来学习电机控制,通过PID算法,来进行电机的速度控制,并进行实验测试。

之前的几篇文章(电机控制基础篇),介绍的电机编码器原理、定时器输出PWM、定时器编码器模式测速等。

本篇在前几篇的基础上,继续来学习电机控制,通过PID算法,来进行电机的速度控制,并进行实验测试。

PID基础

PID即:Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。

PID是经典的闭环控制算法,具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点。

凡是需要将某一个物理量“保持稳定”的场合(比如维持平衡,稳定温度、转速等),PID都会派上大用场。

PID算法分类

PID算法可分为位置式PID与增量式PID两大类。

在实际的编程应用中,需要使用离散化的PID算法,以适用计算机的使用环境,下面以电机转速控制为例,来看一下两种PID算法的基本原理。

位置式PID

位置式PID是当前系统的实际位置,与想要达到的预期位置的偏差,进行PID控制

  • 比例P:e(k) 此次误差

  • 积分I:∑e(i) 误差的累加

  • 微分D:e(k) - e(k-1) 此次误差-上次误差

因为有误差积分 ∑e(i),一直累加,也就是当前的输出u(k)与过去的所有状态都有关系。

位置式PID算法的伪代码如下

//位置式PID(伪代码)
previous_err = 0;
integral = 0;
loop: //根据目标值与测量值(如电机的设定速度与读到的编码器转后后的速度),循环计算更新输出值(如PWM)
    error = setpoint - measured_value;          /*误差项:目标值-测量值*/
    integral += error * dt;                     /*积分项:误差项的累计*/
    derivative = (error - previous_error) / dt; /*微分项:误差的变化率*/
    output = Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative; /*三项分别乘以PID系数即为输出*/
    previous_err = err; //更新误差
    wait(dt); //等待固定的计算周期
    goto loop;

增量式PID

  • 比例P:e(k) - e(k-1) 此次误差-上次误差

  • 积分I:e(k) 此次误差d

  • 微分D:e(k) - 2e(k-1)+e(k-2) 这次误差-2×上次误差+上上次误差

注意增量式PID首先计算的是Δu(k),然后与上次的输出相加,才是此次的输出结果。增量式PID没有误差累加,控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关。

增量式PID算法的伪代码如下

//增量式PID(伪代码)
previous02_error = 0; //上上次偏差
previous01_error = 0; //上次偏差
integral = 0; //积分和
pid_out = 0; //pid增量累加和
loop:
    error = setpoint − measured_value;  /*误差项:目标值-测量值*/
    proportion = error - previous01_error;                            /*比例项:误差项-上次偏差*/
    integral = error * dt;                                            /*积分项:误差项的累计*/
    derivative = (error − 2*previous01_error + previous02_error) / dt;/*微分项:上次误差与上上次误差的变化率*/
    /*或写成:derivative = ( (error − previous01_error)/dt - (previous01_error - previous02_error)/dt )*/
    pid_delta = Kp × error + Ki × integral + Kd × derivative; //计算得到PID增量
    pid_out = pid_out + pid_delta; //计算最终的PID输出
​
    previous02_error = previous01_error; //更新上上次偏差
    previous01_error = error; //更新上次偏差
    wait(dt); //等待固定的计算周期
    goto loop;

PID各项的作用

以这个弹簧为例(假设没有重力,只有空气阻力),先是在平衡位置上(目标位置),拉它一下,然后松手,这时它会震荡起来。

P 比例

P就是比例的意思。这里就类比弹簧的弹力(回复力):F=k*Δx

  • 当物块距离平衡位置越远时,弹力越大,反之,离平衡位置越近,力越小。

  • 当物块位于平衡位置上方时,弹性向下,当物块位于平衡位置下方时,弹性向上,即弹力总是使物块朝平衡位置施力。

D 微分/求导/变化率

只有P控制,物块一直在上下震荡,整个系统不是特别稳定。

这是因为空气阻力太小,想象一下整个把它放到水里,物块应该很快会静止下来。这时因为阻力的作用。

D的作用就相当于阻力

  • 它与变化速度(单位时间内的变化量)有关,变化的越大,它施加的阻力也就越大

  • 它的方向与目标值无关,比如,当物块从下到上经过平衡位置时,它的方向一直是朝下,

    即先是阻止物块靠近平衡位置,再是阻止物块远离平衡位置(对比P的作用,始终阻止物块远离平衡位置)

  • 它的作用就是减小系统的超调量了(减少系统在平衡位置震荡)

I 积分/误差累积

有了P的动力和D的阻力,这个物块就可以较快的稳定下来了,那I的作用是什么呢?

想象一下,如果有其它外力的影响,在某一时刻,物块将要到达平衡位置时,恰好P的动力与外力(与P的作用方向相反的恒定力)抵消,则之后物块将停在此处附近(因为此时D的力也趋近0,并很快变为0),一直到达不了平衡位置。

这时,I的误差积分作用就很有必要了:

  • 它计算的误差的累计,只要有误差,它就一直增加,开始可能很小,但只要没要到达平衡位置,该值就会越来越大

  • 它的作用就是消除系统的静态误差了


PID参数整定

实际应用,进行PID参数调节时,一般使用试凑法,PID参数整定口诀如下:

参数整定找最佳,从小到大顺序查,

先是比例后积分,最后再把微分加

曲线振荡很频繁,比例度盘要放大,

曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳,

曲线偏离回复慢,积分时间往下降,

曲线波动周期长,积分时间再加长,

曲线振荡频率快,先把微分降下来,

动差大来波动慢,微分时间应加长,

理想曲线两个波,前高后低4比1,

一看二调多分析,调节质量不会低。


电机PID速度控制

上面介绍了PID的基础知识,接下来就使用位置式PID来实现对直流电机转速的控制。

程序

自定义PID结构体

typedef struct
{
    float target_val;   //目标值
    float err;          //偏差值
    float err_last;     //上一个偏差值
    float Kp,Ki,Kd;     //比例、积分、微分系数
    float integral;     //积分值
    float output_val;   //输出值
}PID;

PID算法实现(位置式PID)

float PID_realize(float actual_val)
{
    /*计算目标值与实际值的误差*/
    pid.err = pid.target_val - actual_val;
    
    /*积分项*/
    pid.integral += pid.err;
​
    /*PID算法实现*/
    pid.output_val = pid.Kp * pid.err + 
                     pid.Ki * pid.integral + 
                     pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);
​
    /*误差传递*/
    pid.err_last = pid.err;
​
    /*返回当前实际值*/
    return pid.output_val;
}

周期调用PID计算

//周期定时器的回调函数
void AutoReloadCallback()
{
    int sum = 0;/*编码器值(PID输入)*/
    int res_pwm = 0;/*PWM值(PID输出)*/
    
    /*读取编码器测量的速度值*/
    sum = read_encoder();
    /*进行PID运算,得到PWM输出值*/
    res_pwm = PID_realize(sum);
    /*根据PWM值控制电机转动*/
    set_motor_rotate(res_pwm);
    
    /*给上位机通道1发送实际值*/
    set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &sum, 1); 
}

上位机

这里使用野火多功能调试助手的"PID调试助手“来进行实验,用于显示PID调节时的电机转速曲线。

实验演示

目标速度值设为50(这里的目标值50使用的是编码器10ms捕获的脉冲数),通过体调节PID的参数,来测试电机能否较快的达到目标速度。

先调节P

P值先使用10看看效果,从速度曲线可以看出,达不到目标速度,且与目标速度相差较大。

P I D
10 0 0


P值加大到100,从速度曲线可以看出,还是达不到目标速度。

P I D
100 0 0



只使用P,会存在静差,始终达到不了目标值,这时就要使用积分项来消除静差了。

再调节I

P保持100,I使用0.2,从速度曲线可以看出,可以达到目标速度,但跟随的速度较慢。

P I D
100 0.2 0


P保持100,加大I,使用1.0,从速度曲线可以看出,可以达到目标速度,跟随的速度加快了。

P I D
100 1.0 0

P保持100,继续加大I,使用3.0,从速度曲线可以看出,可以达到目标速度,跟随的速度进一步加快了。

P I D
100 3.0 0

P保持100,再继续加大I,使用6.0,从速度曲线可以看出,可以达到目标速度,跟随速度也很快,但有一点过冲。

P I D
100 6.0 0

对于过冲,可以再加入微分试试,微分D相当于阻力的效果

最后调节D

P保持100,I保持6.0,D使用3.0,从速度曲线上,好像看不出明显的变化。

P I D
100 6.0 3.0

P保持100,I保持6.0,D加大到6.0,从速度曲线上看,过冲幅度减小了点。

P I D
100 6.0 6.0

演示视频

视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV18Q4y1R7e8

封面.png

总结

本篇简单介绍了PID的基础原理与参数整定,若想把PID参数调节好,还需要不断的实践与调试。

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