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基于STM32和PID算法的小车车速控制 四轴飞行器飞行原理与双闭环PID控制 PID程序实例 该文档总结于以下两个博文:0 X6 @7 q6 ^4 p http://www.moz8.com/thread-36004-1-1.html 和http://www.eeboard.com/bbs/thread-32321-1-3.html 为了更好的理解这个视频和PID参数的作用,特意根据多轴飞行器的原理和PID理论,编写了一个EXCEL图表,直观的来理解PID参数的作用。 在这个模型中:* S0 j6 M0 ^, U+ ~2 g) o 1、假设输出是力,作用在一个质块上,使用加速度、速度、位移积分计算,评估输出对测量值产生的影响,跟多轴飞行器的运动模式比较接近。 2、让速度响应慢一个拍子,模拟电调和电机的响应滞后。 3、加入阻尼,模拟空气的衰减作用: B/ ~. f4 _7 W/ W; N( R9 A- ? 4、引入偏差,用于体现I的作用,从中间加入,代表一个系统误差或外作用力' t. d& f* @- a6 I+ ~& F 5 J# p1 n3 P5 l) O PID的作用概述:" L' ~8 T( V" x. S0 W/ X6 W+ ~ 1、P产生响应速度和力度,过小响应慢,过大会产生振荡,是I和D的基础。7 d, u7 d$ E S1 l f 2、I在有系统误差和外力作用时消除偏差、提高精度,同时也会增加响应速度,产生过冲,过大会产生振荡。 3、D抑制过冲和振荡,过小系统会过冲,过大会减慢响应速度。D的另外一个作用是抵抗外界的突发干扰,阻止系统的突变。' f2 d; Q+ o, N; k- p+ d f 3 L+ {3 v# m8 O 通过这个模型和图表,一步步演示PID参数的作用和调试方法:& F+ C9 U$ ]7 c% s+ u - i1 q8 C7 Y9 E- S 1、逐步增大P,看P对响应速度和力度的影响,调到系统发生振荡,再减少一点P ' D1 d, q) Z6 Q% ?& z 当P=0.1时,响应很慢,但不会振荡/ ^# _+ D0 w' f% w 粗黑线是系统响应,洋红线是目标值。' g. F! c q. d1 }% h1 e: R: {; ^: G ' ] u5 E2 l( H2 t i4 B 逐步增大P,P=1,有振荡,但慢慢在衰减 继续增大P,P=3,振荡会逐步加大- o6 P* \8 |1 ?3 N + x. ^2 F& f( ^& q, \& r2 @% t# m# x% K8 e# M5 L6 [ ] 取振荡但会衰减的P=1继续调整0 {# l; r8 V4 g 在多轴调试时,当振荡发生时,再稍微减小一点P。/ T9 j/ R& }( r$ j: v d / u' I0 v7 `0 Z" O 2、加入D,看D对振荡的控制能力,D过小会发生过冲,D过大会迟滞,以稍微有点过冲为最佳 * u& v* i! p. B D=0.5,有较大的过冲和少量振荡,衰减很快0 s: T3 Q) \" { , E* W: E( G( M, W5 o6 w+ ]1 { D=1.3,基本没过冲 D=2,响应迟滞,减慢了响应速度4 ] d; _% L. \7 `7 ? ! j( ^+ X5 p. g1 d) {& B3 ?取以稍微有点过冲的D=1.3为最佳0 E& l1 @6 O5 ^3 q+ R 在多轴调试时,用手拍一下机臂或倾斜启动,机臂在复位时有少量过冲为宜。(不过我喜欢基本没过冲时的参数,这样在悬停时更稳) `+ G0 T% C4 @* C4 s 2 d* d8 l& `% @- r' F" w6 c d, H 3、可以继续增大P和D,让响应更快但过冲也不大。' J" a) }; q0 e P=2 D=1.8 ( t" @5 l" d+ P( c% Q$ M在理论上可以这样演示,但在实际多轴的调试时,这一步一般不做,这是为了更安全和稳定。 " K3 s2 I$ i/ |1 C( j8 z 4、加入0.2的偏差,看偏差对位移的影响 从中间加入,代表一个外作用力。 可以看到,如果没有I的作用,偏差将一直存在,尽管P产生了一个抵抗力,但只是阻止了系统继续运动,但偏差一直在。2 S" o. l2 O0 Q' [) o3 v 在多轴调试时,如果持续的抬起一个机臂,机臂会持续的转动,抵抗力很小,放手后也不会回复。 % x% W/ K2 o! G7 x 5、加I,看I对偏差的修正能力,I加快了响应速度,但也会导致过冲或振荡 I=0.3 基本可以消除偏差产生的影响,产生了少量过冲,但提高了在有偏差时系统的精度* G- p' H9 O: A1 r ! K, {9 [' f! E& d$ [. ~. R" k& {( V I=3 进一步加快响应速度,但产生了振荡% _$ J( k" [. ? 取基本能纠正偏差的I=0.3 在多轴调试时,油门开至悬停油门,用手持续的抬起一个机臂,可以感到随着I的增加,抵抗力会逐步增大,持续时间加长。 因为多轴的长期稳定由姿态模式的LEVEL参数来解决,所以I不用太大,取缺省参数就可以了,大概可以抵抗1-2秒左右。 9 U$ I, B9 g1 }* C. f f 6、增大一点D,减小一点I产生的过冲 取消偏差,因为I的加入,有一点过冲# `* Z; {/ e+ F2 F V2 v 增大D,D=2.2,减小过冲& c- G0 V) b" m. d: Q! f 在实际多轴调试时,这一步一般不用,但是如果有必要,可以试一下。 好了,曲线演示完了,这同时也是多轴PID参数的调试过程,结合视频一起看,能更好的理解这一过程,希望对大家理解PID有所帮助。 % E9 p: P0 \, l6 E/ p. H# ^1 _ 附:多轴飞行器PID调试演示器.xls6 I5 y" `" `0 B$ v. y7 C7 q1 ^0 @ 7 D( B. j) n- c; W o 另外,试了一下,下载的文件名可能有问题,自己把文件名改为"多轴飞行器PID调试演示器.xls"就可以用了+ v8 s" c/ C. @" c x" Q& a" F( g( y + k* z6 q# Y: q, N PID的代码其实也很简单,主要是要了解其中的原理,才能更好地调整参数。为了方便新手们理解,楼主建立了一个数学模型来让大家了解。(只针对新手,老手就算了) % b4 B& b- H; _9 ^/ I6 b- t ========圆点博士小四轴之PID控制模式分析=======* N; W' ]6 `. _9 M( v7 q/ } PID控制的P是Proportional的缩写, 是比例的意思,I是Integral的缩写,是积分的意思,D是Derivative的缩写,是微分的意思。所以,PID就是我们常说的比例,积分,微分控制。% p: [ t. N' N) s 我们首先来看一个PID控制模型曲线图:) y2 O" Q4 u6 w* ^; V 该图包含了比例控制,比例+积分控制,比较+积分+微分控制的电机响应图的对比。& o' o* `* g4 |& I! e 4 P v6 p: |- J4 ]/ u% Z 2014-5-29 13:22 上传8 D% {' R2 x. v8 A9 Q下载附件 (37.76 KB) F( R3 ?3 f% N8 F- P PID模型 - _+ r. s1 s" \; G% J 0 n0 v8 @9 u' \, C. T# m % F: `' A7 d" m) f 下面我们对曲线进行具体分析:: T ]1 X; w2 [6 |2 t PID中的比例控制是最容易理解的,比例控制就是把角度的误差乘以一个常数作为输出驱动。假定我们有一个理想模型的电机,1V电压的变化会带来小四轴1度的角度改变。假定现在电机控制电压是5V,小四轴在某一轴上的偏角是5度,目标角度是100度。我们把当前的电压量定义为Vin,把输出控制量定义为Vout。假定P等于0.2,那么比例控制的结果就是: 第一次:Vout=Vin+(100-5)*P=5V+19V=24V,得到电机电压是24V,对应的小四轴角度是24度,距离目标角度的误差是100-24=76度。 第二次:Vout=Vin+(100-24)*P=24V+15V=39V, 从而引起的角度是39度。, N% ^; G2 j$ R6 n* r' d 我们看到,在这么的一个比例控制系统下,小四轴角度在慢慢地向目标角度靠近。 - P% O3 N/ {# \# V PID中的积分控制就是把把所有角度误差相加起来,然后乘上一个常数作为输出驱动。在上述例子中,假定I=0.2, 我们来看看比例和积分控制同时起作用下的系统反应。/ {% B9 w W E: v" t2 Q0 L1 u. u; Z 第一次:Vout=Vin+(100-5)*P+(100-5)*I=5V+19V+19V=43V,这时候小四轴角度为43度。 由于第一次控制前的误差是100-5=95,第二次控制前的误差是100-43=57,所以积分结果是152。; k& A# U% Z. d) \- ]5 c6 \ 第二次:Vout=Vin+(100-43)*P+((100-5)+(100-43))*I=43V+11V+30V=84V, 这时候小四轴角度变为84度。 m8 a& Z8 K' l1 |- x% n% `2 S 第三次:Vout=Vin+(100-84)*P+((100-5)+(100-43)+(100-84))*I=84+3V+33V=120V。这时小四轴角度变为120度。! d: h7 g! T3 r- _1 D4 M5 w! t 我们看到,在增加了积分控制后,小四轴角度在快速向目标角度靠近。3 H' o7 L0 o/ C9 K; g: | , a2 @7 s* @1 P2 A9 Q9 E: P PID中的微分控制就是把角度的变化乘上一个常数来作为电机驱动输出。在上述例子中,假定D=0.2, 我们来看看比例,积分和微分共同控制下的系统反应。假定第一次前,电机转速保持5转,那么第一次前的角度变化为0。 第一次:Vout=Vin+(100-5)*P+(100-5)*I-(5-5)*D=5V+19V+19V-0V=43V,这时候小四轴角度为43度。 和上一次相比,角度从5度变化到了43度,所以小四周角度变化是43-5=38度。 第二次:Vout=Vin+(100-43)*P+((100-5)+(100-43))*I-(43-5)*D=43V+11V+30V-7V=77V, 这时候小四周角度77度。 * d/ q( ~* J& K& r, K8 R q0 p 把上述的计算结果列出来,我们看到: 2014-5-29 13:23 上传3 l" l2 m9 A" ?6 y* b/ o3 V下载附件 (39.13 KB) PID计算 % v3 u$ S) P! ^ r, [" A 从上面的数据,我们可以看到: 1,单独比例控制的时候,数据慢慢接近目标 (图表中的红色线) 2,加入积分控制之后,数据快速接近目标 (图表中的蓝色线)5 A+ X# L) F+ s# A 3,微分控制起到抑制变化的作用。(图表中的绿色线) 有了这些理论基础,就可以写PID控制代码拉。7 W1 _3 | u) y2 q' o |
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中级的pid调节,需要根据控制模型建模,然后零极点对消,等效1型或2型系统,根据最佳整定法计算pi参数,这是掌握一些自控原理的基础了。
高级一些的应该都是用自抗扰控制器,抗饱和积分(anti-windup)等,尤其是飞行器。