简 介： 本文仅仅说明了在车模控制中为什么引入串级PID控制，对于如何实现串级控制、需要注意的事项、还有其他什么控制方法则需要参赛同学们自行探索。当然，如果希望能够在控制理论上进一步提高，可以继续关注下学期开始之后，竞赛组委会提供的竞赛辅导课程。

关键词： PID，串激PID，车模竞赛

§01 学生提问

卓老师，祝您新年快乐。抱歉在您休息的时候打扰您。我学习了前天的推文。既然通过pd控制可以让车模运行达到稳定，为什么有些学校还要引入速度环＋电流环的串级pid呢？我不是很明白，麻烦老师有空时候点拨一下。

卓老师，再给我们讲讲串级PID呗。

我 记得在刚拿到驾照之后，开着租来的一辆汽车到市中心去办事。整个驾车过程只能用一个词来形容-

忐忑。心生疑虑，开车如此紧张，为什么人们还是喜欢驾车呢？经过一段时间锻炼之后，就会发现开车的便利，并喜欢上驾车的感觉了。

§02 问题回复

  前面的参加智能车竞赛同学之所以产生疑虑，询问为何在车模控制中还要引入“速度环+电流环”串级PID控制，应该说他们还没有学习，或者刚刚学习控制理论，认为这是一个比较繁琐、玄妙的过程。

  实际上，当真正理解和掌握控制理论之后，就会发现反馈控制是一个非常

  简洁优雅的工具，喜欢在任何地方使用它。就像熟悉开车之后，就愿意驾车去到自己要去的远方了。到那时，如果车模控制中不引入“速度环”、“电流环”等，反而就会觉得不自然，觉得此时车模就像在

  裸奔，危机四伏、随时会死的很难看。

  下文只是回答为什么需要在车模控制中引入更多的内部闭环控制，至于如何有效实现这些控制，将来有时间再讨论。

  人类在工业革命之后，便开始大规模控制机器去帮助人们完成各种工作。经过二十世纪前五十年发展，最终发现，无论控制对象是机械、电子、化学过程等多么不同，只要满足以下几个特性，最终的控制方法都会变得简单和统一。

  1）因果特性：控制对象的输出能够与一个，或者几个输入量存在着因果关系。比如物体的运动，与其受力之间是因果关系。

  2）线性特性：输入输出之间的规律呈现简单的线性关系，即满足叠加性和齐次性。

  3）时不变特性：输入输出之间的规律不随着时间的改变而变化。

  上面的特性看似简单，但人类是经过很长时间的实践之后才最终总结出来，并在此基础上，提出了一整套统一的分析和控制的方法，在整个二十世纪中不仅帮助人们登上了月球，也在各个领域中极大提高了工作质量和效率。

  前面提到的控制核心原理同样适用于竞赛中的车模控制。

  竞赛中比的就是车模控制的又快又稳，车模需要说走就走，说停就停。为了达到这个目的，下面就需要梳理一下决定车模位置和速度的因果关系。

  现在的车模控制核心是由其上的单片机软件完成。控制指令经由单片机上的外设（IO，DA，PWM等）通过一系列的环节配合（电机驱动、电机、舵机、机械传动等）最终驱动车模运动，使得它的位置偏差和速度实现控制目标。

  如果仔细分析整个控制流程，就会发现它与前面所希望的控制对象理想特性之间（因果、线性、时不变）存在着很多差别。

^{车模控制中的因果关系、不确定性、非线性}

  首先，上面控制关系流程中，并不都是因果传递关系。比如在电机控制中，电机驱动板施加在电机转子上的电压，决定了转子电枢电流，电枢电流产生磁场，决定了转子所受的电磁力矩，电磁力矩减去外部负载力矩，决定了转子的加速度，加速度决定了电机的转速。

  但是，电机转子的转速反过来又会在定子磁场中产生感应电动势，抵消外部施加的电压，从而减少转子电流，降低了转子的磁力矩。

  因此，这其中存在着反馈耦合关系，这就打破了前面的控制规律中的简单的因果关系了。

^{电机运动中的电压、电流、转速、感应电动势}

  其次，在控制环节中存在着很多非线性环节，比如PWM，驱动板输出的饱和区，死区，电机磁场的非线性、机械传动中的间隙、舵机延迟、赛道导航磁场分布不均匀、摄像头镜头失真等。几乎每个环节都存在着不同程度的非线性。

  最后，系统各个环节所受到的干扰、特性的变化也都是的控制特性不再满足“时不变”。比如在输出PWM中的量化噪声、电池电压波动对电机驱动电压的影响、电机温度改变电枢的电抗、定子磁场的不均匀影响输出力矩、赛道表面阻力的突变、坡道起伏等等。这些都会使得控制对象特性随着时间、空间的变化而发生改变。

  如果仅仅使用最外环总的位置反馈控制，对象各个环节中的这些缺陷就会使得系统变得岌岌可危，控制的精度、可靠性大大降低。

^{局部的反馈改善各个环节的特性}

  怎么改善上面控制中遇到的这些尴尬场景呢？那就在各个环节中引入局部的反馈控制，从而形成整体的串级控制。

  比如，对于电机转子电流引入反馈控制，使得电机电流不再随着转子角速度的变化而变化，从而将其内部的反向耦合关系进行解耦，使得电机速度单想取决于电流指令，也就是电机转矩的大小，形成简单的因果关系。

  通过电流反馈还可以消除电机驱动板的死区和饱和带来的非线性、电池电压波动等随着时间变化的不确定性，从而将这些环节变成前面理想的控制特性。

  对于车轮转速引入速度反馈控制可以改善电机传动过程中的死区、阻力所带来的影响，同时对于赛道元素变化所产生的影响也进行消除。为后面的位置控制奠定很好的基础。

  下图显示了三轮车模控制中，包括有电流环、速度环、位置环的串级PID控制的模式。

^{三级串级PID控制框图}

  引入局部的反馈控制，将控制中各个环节存在的缺陷（非因果的耦合、非线性、随机性）去掉，所带来的控制好处多多。但为了实现串级控制，则系统中需要增加额外的检测传感器（电流传感器、速度传感器），控制软件需要额外增加控制流程，增加了单片机计算负担。

  但随着单片机性能的提高、资源的丰富、传感器成本降低，这一切都不是事儿。

  唯一是事儿的就是那颗容不得缺陷存在，一直追求完美的心。这种心灵是不会让车模裸奔的。也许，在往届比赛中，车模裸奔也不是事。可今年（第十四届）的比赛情况就发生的质的变化。由于赛道中存在着横断路障、断路区等元素，使得车模在运行中不可能总能检测到赛道导引信号，需要在横断路障附件进行位置开环运行，也就是车模在无赛道导引信号的情况下，精确完成固定的绕行动作。如果此时，

  车模是裸奔的话，那么任何外部环境的变化都会使得车模死的很惨。

  本文仅仅说明了在车模控制中为什么引入串级PID控制，对于如何实现串级控制、需要注意的事项、还有其他什么控制方法则需要参赛同学们自行探索。当然，如果希望能够在控制理论上进一步提高，可以继续关注下学期开始之后，竞赛组委会提供的竞赛辅导课程。

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net，作者：卓晴，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

原文链接：zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134853