电机控制进阶3——PID串级控制

码农爱学习 发表于 2021/07/13 00:03:24 2021/07/13
【摘要】 前两篇文章,分别介绍了PID速度控制和PID位置控制,分别用来控制电机以期望的速度持续转动以及以期望的位置(圈数)转动,这里的期望值都只有一个,但是,如果想要以期望的速度转动到期望的位置(启动与停止的加减速过程不考虑),该怎么控制呢?那就要将两者结合起来了,即PID的串级控制来控制电机。

前两篇文章,分别介绍了PID速度控制和PID位置控制,分别用来控制电机以期望的速度持续转动以及以期望的位置(圈数)转动,这里的期望值都只有一个,但是,如果想要以期望的速度转动到期望的位置(启动与停止的加减速过程不考虑),该怎么控制呢?那就要将两者结合起来了,即PID的串级控制来控制电机。

串级PID结构图

PID串级控制的典型结构为位置环+速度环+电流环,如下图。

PID串级控制中,最外环是输入是整个控制系统的期望值,外环PID的输出值是内环PID的期望值。

能够使用三环控制的前提是要硬件支持,比如位置环和速度环需要实时的电机转动位置和转动速度作为反馈,这就需要电机需要配有编码器用于测速与测量转动的位置;电流环需要有电流采样电路来实时获取电机的电流作为反馈。

如果没有电流采样电路,可以将电流环去掉,只使用位置环+速度环,系统的期望仍是转动的位置,内环可以调节转动的速度。

另外,如果只是想控制电机转速实现电机调速,可以使用速度环+电流环,系统的期望仍是转动的位置,内环可以调节电机的电流,增强系统转动调节的抗干扰能力。

位置环+速度环实践

由于我的电机没有电流测量电路,所以,本文以位置环+速度环来学习PID串级控制。就是按照下面这个图:

PID参数定义

由于是串级PID控制,每一级的PID都要有自己的参数,本次实验使用位置PID+速度PID,参数定义如下:

/*定义位置PID与速度PID结构体型的全局变量*/
PID pid_location;
PID pid_speed;
​
/**
  * @brief  PID参数初始化
  * @note   无
  * @retval 无
  */
void PID_param_init()
{
    /* 位置相关初始化参数 */
    pid_location.target_val = TOTAL_RESOLUTION*10;              
    pid_location.output_val = 0.0;
    pid_location.err = 0.0;
    pid_location.err_last = 0.0;
    pid_location.integral = 0.0;
​
    pid_location.Kp = 0.05;
    pid_location.Ki = 0;
    pid_location.Kd = 0;
​
    /* 速度相关初始化参数 */
    pid_speed.target_val=10.0;              
    pid_speed.output_val=0.0;
    pid_speed.err=0.0;
    pid_speed.err_last=0.0;
    pid_speed.integral=0.0;
​
    pid_speed.Kp = 80.0;
    pid_speed.Ki = 2.0;
    pid_speed.Kd = 100.0;
}

位置PID的实现

这里有两点需要注意:

闭环死区的设定

闭环死区是指执行机构的最小控制量,无法再通过调节来满足控制精度,如果仍然持续调节,系统则会在目标值前后频繁动作,不能稳定下来。

比如某个系统的控制精度是1,但目标值需要是1.5,则无论怎么调节,最终的结果只能控制在 1或 2,始终无法达到预设值。这 1.5L小数点后的范围,就是闭环死区,系统是无法控制的,误差会一直存在,容易发生震荡现象。

对应精度要求不高的系统,可以设定闭环死区,比如将允许的误差范围设为0.5,则最终结果在 1或 2都认为是没有误差,这时将目标值 与实际值之差强制设为 0,认为没有误差,即限定了闭环死区。

积分分离的设定

通过积分分离的方式来实现抗积分饱和,积分饱和是指执行机构达到极限输出能力了,仍无法到达目标值,在很长一段时间内无法消除静差造成的。

例如,PWM输出到了100%,仍达不到期望位置,此时若一直进行误差累加,在一段时间后, PID 的积分项累计了很大的数值,如果这时候到达了目标值或者重新设定了目标值,由于积分由于累计的误差很大,系统并不能立即调整到目标值,可能造成超调或失调的现象。

解决积分饱和的一种方法是使用积分分离,该方法是在累计误差小于某个阈值才使用积分项,累计误差过大则不再继续累计误差,相当于只使用了PD控制器。

控制流程图

带有闭环死区积分分离的PID控制流程如下图:


完整的位置PID代码如下:

/**
  * @brief  位置PID算法实现
  * @param  actual_val:实际值
  * @note   无
  * @retval 通过PID计算后的输出
  */
#define LOC_DEAD_ZONE 60 /*位置环死区*/
#define LOC_INTEGRAL_START_ERR 200 /*积分分离时对应的误差范围*/
#define LOC_INTEGRAL_MAX_VAL 800   /*积分范围限定,防止积分饱和*/
float location_pid_realize(PID *pid, float actual_val)
{
    /*计算目标值与实际值的误差*/
    pid->err = pid->target_val - actual_val;
​
    /* 设定闭环死区 */
    if((pid->err >= -LOC_DEAD_ZONE) && (pid->err <= LOC_DEAD_ZONE))
    {
        pid->err = 0;
        pid->integral = 0;
        pid->err_last = 0;
    }
​
    /*积分项,积分分离,偏差较大时去掉积分作用*/
    if(pid->err > -LOC_INTEGRAL_START_ERR && pid->err < LOC_INTEGRAL_START_ERR)
    {
        pid->integral += pid->err;  
        /*积分范围限定,防止积分饱和*/
        if(pid->integral > LOC_INTEGRAL_MAX_VAL)
        {
            pid->integral = LOC_INTEGRAL_MAX_VAL;
        }
        else if(pid->integral < -LOC_INTEGRAL_MAX_VAL)
        {
            pid->integral = -LOC_INTEGRAL_MAX_VAL;
        }
    }   
​
    /*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;
}

速度PID实现

速度PID的实现代码与位置PID的类似:

/**
  * @brief  速度PID算法实现
  * @param  actual_val:实际值
  * @note   无
  * @retval 通过PID计算后的输出
  */
#define SPE_DEAD_ZONE 5.0f /*速度环死区*/
#define SPE_INTEGRAL_START_ERR 100 /*积分分离时对应的误差范围*/
#define SPE_INTEGRAL_MAX_VAL 260   /*积分范围限定,防止积分饱和*/
float speed_pid_realize(PID *pid, float actual_val)
{
    /*计算目标值与实际值的误差*/
    pid->err = pid->target_val - actual_val;
​
    /* 设定闭环死区 */
    if( (pid->err>-SPE_DEAD_ZONE) && (pid->err<SPE_DEAD_ZONE ) )
    {
        pid->err = 0;
        pid->integral = 0;
        pid->err_last = 0;
    }
    
    /*积分项,积分分离,偏差较大时去掉积分作用*/
    if(pid->err > -SPE_INTEGRAL_START_ERR && pid->err < SPE_INTEGRAL_START_ERR)
    {
        pid->integral += pid->err;  
        /*积分范围限定,防止积分饱和*/
        if(pid->integral > SPE_INTEGRAL_MAX_VAL)
        {
            pid->integral = SPE_INTEGRAL_MAX_VAL;
        }
        else if(pid->integral < -SPE_INTEGRAL_MAX_VAL)
        {
            pid->integral = -SPE_INTEGRAL_MAX_VAL;
        }
    }   
    
    /*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;
}

串级控制代码

//周期定时器的回调函数
void AutoReloadCallback()
{
    static uint32_t location_timer = 0;    // 位置环周期
    
    static __IO int encoderNow = 0;    /*当前时刻总计数值*/
    static __IO int encoderLast = 0;   /*上一时刻总计数值*/
    int encoderDelta = 0; /*当前时刻与上一时刻编码器的变化量*/
    float actual_speed = 0;  /*实际测得速度*/
    int actual_speed_int = 0;
    
    int res_pwm = 0;/*PID计算得到的PWM值*/
    static int i=0;
    
    /*【1】读取编码器的值*/
    encoderNow = read_encoder() + EncoderOverflowCnt*ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/
    encoderDelta = encoderNow - encoderLast; /*得到变化值*/
    encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累计值*/
    
    /*【2】位置PID运算,得到PWM控制值*/
    if ((location_timer++ % 2) == 0)
    {
        float control_val = 0;   /*当前控制值*/
        
        /*位置PID计算*/
        control_val = location_pid_realize(&pid_location, encoderNow);  
        
        /*目标速度值限制*/
        speed_val_protect(&control_val);
​
        /*设定速度PID的目标值*/
        set_pid_target(&pid_speed, control_val);    
    }
      
    /* 转速(1秒钟转多少圈)=单位时间内的计数值/总分辨率*时间系数, 再乘60变为1分钟转多少圈 */
    actual_speed = (float)encoderDelta / TOTAL_RESOLUTION * 10 * 60;
    
    /*【3】速度PID运算,得到PWM控制值*/
    actual_speed_int = actual_speed;
    res_pwm = pwm_val_protect((int)speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed));
    
    /*【4】PWM控制电机*/
    set_motor_rotate(res_pwm);
    
    /*【5】数据上传到上位机显示*/
    set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1);   /*给通道1发送实际的电机【位置】值*/
}

PID的计算是通过定时器调用,每10ms一次,从代码中可以看到,内环(速度PID)控制的周期要比外环(位置PID)的周期短,位置PID是每两次循环计算一次,因为内环控制着最终的输出,这个输出对应的就是实际场景中的控制量 (本实验最终控制的是位置),位置是无法突变,是需要时间积累的,所以内环输出尽可能快些。

视频演示

视频中,测试以不同的目标速度到达目标位置,视频后半段测试引入干扰情况下的控制效果:

视频连接:https://www.bilibili.com/video/BV1QK4y1g7yg

封面-串级控制.png

开源代码

本篇以及前面几篇电机与PID的完整程序代码,共享至我的gitee仓库。

https://gitee.com/xxpcb/stm32-motor-pid

gitee.jpg

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