智能鼠原理与制作（高级篇）（中英双语版）课件 项目一 学习智能鼠车速控制算法

项目一学习智能鼠车速控制算法1学习目标（1）学习智能鼠电动机的PID控制算法。智能鼠在迷宫中运行时涉及多种情况的速度控制，如启动和停止时加速度要适中，平稳运行时要保持速度稳定，转弯时也需要对两台电动机的速度做出干预，PID控制算法可以帮助我们轻松实现这些要求。2任务一掌握智能鼠PID车速控制算法任务二掌握智能鼠直流电动机闭环车速控制3任务一掌握智能鼠PID车速控制算法一、经典PID控制思想经典PID控制思想是一门历史悠久的控制理论，时至科技发达的现在，经典PID控制理论凭着其适应性强、鲁棒性高和原理简单的优势，已经成为工业自动化、汽车控制、航天应用中使用率最高的控制算法，同时也被广泛的使用在其他各行各业中。下面将结合电动机的控制对经典PID控制思想进行分析。机器人的电动机驱动是一个控制系统，为了使电动机能够有效、可控的被驱动，电动机的驱动控制应当是一个闭环回路系统，这也意味着驱动控制必须根据一些反馈信息进行调节。图右所示是一个经典的电动机PID控制示意图。将给定速度与实际转速进行比较，其差值E，经过PID控制器调整后输出电压控制信号PWM，驱动直流电动机改变其转速。根据不同的闭环回路，电动机控制系统都会有一个目标设定值s(t)，反馈则需要通过该设定值对真实的调控结果f(t)进行判断，从而得到一个差值e(t)=s(t)-f(t)，PID控制系统就是根据该差值e(t)对电动机进行闭环控制的。在一个连续系统中，系统的输出控制量k(t)可以表示为4任务一掌握智能鼠PID车速控制算法1.比例环节比例环节的控制输出量可被认为是与差值成比例关系。在差值较大的情况下，比例环节具有非常重要的作用，它能大幅度调节系统的输出，从而迅速降低反馈值与设定值之间的差距。当差值变小时，它又可以减少系统的输出，从而不会出现过大的控制超调现象。在无损耗系统中，通过合理的设定比例调节，控制系统是可以达到设定值的，然而在实际的系统中，由于系统存在不断变化的损耗，因此，控制系统在某些状态下，的调节输出仅仅只能够用来抵消这些损耗而无法继续缩小差（比如电动机转速差值较小时，电控的调节输出可能只够用来抵消电动机的摩擦损耗）。即便如此，在控制系统调节的初始阶段，比例调节的作用还是非常明显和重要的。2.积分环节积分环节可被认为是差值对于时间的积分。根据上述得知，当比例调节的输出量被系统的损耗“完全消耗”时，系统输出的与设置值已经非常接近，此时，积分环节将起到推动控制系统继续调节的作用，和调节输出量之和最终会平衡掉系统中的所有损耗，因此积分调节又称为无差调节。注意到，积分环节并不是完全独立于比例环节的。一方面，当积分环节协助系统不断接近设置值时，比例环节的调节输出也因此变得越来越小，另一方面，积分环节非常依赖于其他两个环节的参数设置。3.微分环节微分环节仅仅是在差值出现较大突变时才发生作用，但它极大的拟制了其他两个环节的效果，因此微分环节又称为抑制环节。当差值在变小时，微分环节的调节输出是负的。实际上，在电动机启动过程中，微分环节的作用是非常负面的，因为它会引起电动机在低速下的强烈反应。在具体的控制当中，如果PI调节能达到系统要求，就可以不使用微分环节。即使使用了微分控制环节，也最好对被控量信号进行去噪处理，防止噪声干扰被放大。微分环节的一个重要作用是克服系统的大惯性效应。由上可知，PID是一种线性控制理论，在对电动机的实际控制过程中，需要根据具体的情况对PID的系数进行设定，从而使系统达到控制稳定与动态性能良好之间的平衡状态。5任务一掌握智能鼠PID车速控制算法二、增量式PID控制算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可以通过式（2-1-1）推导。由式（2-1-1）可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：（2-1-2）（2-1-3）将式（2-1-2）与式（2-1-3）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法如下:（2-1-4）其中,（2-1-5）由式（2-1-5）可以看出，如果微控制器控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由式（2-1-5）求出控制量。6任务一掌握智能鼠PID车速控制算法1.比例-积分作用1）比例(Kp)部分比例部分的数学表达式是e(t)。在PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生，PID控制器立即产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小。但是，越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故比例系数Kp选择必须恰当，才能达到过渡时间端、静差小而又稳定的效果。（2）积分（Ki）部分积分部分的数学表达式是

，其中。从积分部分的数学表达式可知，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在时，积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。积分环节的调节作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡，但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当较小时，积分的积累作用较强，这时系统过渡时有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以，必须根据实际控制的具体要求确定Ti。7任务一掌握智能鼠PID车速控制算法2.控制器参数的整定控制器参数整定是指决定调节器的比例系数、积分系数的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其稳定特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定步骤如下：（1）先调整积分系数为0，接着调整比例系数，直到速度反馈信号产生振荡。（2）调整积分系数，直到消除稳态误差。（3）输出结果如果不理想，重复步骤（1）、（2），加大比例系数，让振荡现象更明显，直到输出理想结果为止。8任务二掌握智能鼠直流电动机闭环车速控制一、智能鼠直流电动机闭环控制系统框图智能鼠直流电动机闭环控制系统框图，如下图所示。leftSpeed=xSpeed–wSpeed；rightSpeed=xSpeed+wSpeed；xSpeed=（rightSpeed+leftSpeed）/2;wSpeed=（rightSpeed-leftSpeed）/2;整个速度控制系统由两个PI闭环组成。第一个PI闭环：设定值为给定的直行速度（xSpeed），用左轮速度和右轮速度之和再除以2[即（R+L）/2]作为反馈量，得到偏差xError[xError=xSpeed-（R+L）/2]，再把偏差xError送到PI控制器进行运算得到输出U1。第二个PI闭环：设定值为给定的旋转速度（wSpeed）和位置校正输入之和，用右轮速度减去左轮速度再除以2[即（R-L）/2]作为反馈量，得到偏差wError[wError=wSpeed-（R-L）/2]，再把偏差wError送到PI控制器进行运算得到输出U2。把U1减去U2的值作为左电动机的驱动信号（其实就是控制电动机的PWM占空比），把U1加上U2的值作为右电动机的驱动信号，这样就能通过分别控制两个电动机的转速从而控制智能鼠的运行状态。9任务二掌握智能鼠直流