位置式PID定速控制 链接到标题

测试闭环的缺点0 链接到标题

使用电机驱动的测试程序，

  • 显示电机给的驱动力
  • 显示由编码器测量得到的实际速度

显然，当我们给转盘阻力的时候转盘会变慢，这也就是闭环的缺点了。

编码器设置 链接到标题

测速的代码是这样的

Count++;
if(Count>=40)
{
    Count=0;
    Speed=Encoder_Get();
}

这意味着每计数40转就测一次速，根据平均速度测量的一些经验我们知道

  • 测量周期越长，测到的速度就越精确(在被测速度接近于匀速的情况下)
  • 但是刷新周期也会越长 因此合理选择测速周期也是一个博弈。在之后引入PID后一般会将其设置为与PID的调控周期保持一致。

引入PID 链接到标题

  • 需要将主程序中所有的PWM设值部分改成target，表示期望值，至于后面怎么样调PWM是PID要干的事情，
  • 按照公式写代码，核心代码如下
Error1=Error0;
Error0=Target-Actual;
ErrorInt+=Error0;
/*PID计算*/
Out=Kp*Error0+Ki*ErrorInt+Kd*(Error0-Error1);
/*输出限幅*/
    if(Out>100)
    {
        Out=100;
    }
    if(Out<-100)
    {
        Out=-100;
    }
    Motor_SetPWM(Out);

PI 链接到标题

  • 一开始先不考虑微分项$K_d$，令其为零，开始测试。
  • 测试正常进行，
  • 不过笔者发现一个bug：在高速的时候看不清不了解，看到定速效果良好，但是在0速度的定速的时候这个程序不仅能定速，还能定位。也就是说在定速为零的时候如果强行扭动转台，转台不仅会施加阻力抵挡，还会在最后回归原始位置。
  • 再看代码时发现，强行扭动一定距离产生的error会积累out，最后即使速度为零了，这些out也没有消散，还是要往回抵消，因此也就产生了定位的效果。
  • 如果我们去掉积分项目，也容易验证到之前理论部分所展示的动态平衡，也就是实际值始终低于预期值，且差为常数

PID的数量级确定 链接到标题

$$ K\approx \frac{\text{输出}}{\text{输入}} $$ 此处可以实测$out\approx 100$，而输入$Act\approx 180$,所以得到K的数量级就是0.1~1左右。

微调(使用电位器上面的旋钮) 链接到标题

  • 使用电位器调节K
  • 也将速度的调节也用旋钮来调节
  • 需要对累加项进行判断，防止在$K_i$由0变为非零时由于积累误差的出现出现猛然的调控。

这里出现的一些小bug，一开始没有严格按照他的代码进行OLED显示，进而导致OLED显示不出参数，后面推测应该是OLED_Print部分的显示有问题，严格按照他的代码就没有问题了。

实验 链接到标题

定性感性的实验 链接到标题

在实验中可以观察到

  • 只有P的情况转动是连续的，但是对于外界的响应感觉有迟钝之感，在P很大时候也能看到抖动的现象，且抖动只发生在平衡状态被破坏至回复平衡状态的过程，在平衡之后不会动,这与其无记忆性吻合。
  • 有I且I很大的时候观察到了很明显的自激振荡，但是在手动按住转子顺着那股力(阻尼)，让out渐渐变成0可以让其停下来(误差累加值为零即稳定)
  • D很大，自激振荡是很恐怖的，并且手动按住无法消除(抗阻尼)，目前对其其他性质的探索还在深入。

串口采集数据后电子图像显示 链接到标题

  • 串口以及串口接收工具的使用看前面的章节
  • 没什么，就是通过图像能更加清晰的看到pid的过程而已
  • 实际上，在实际使用的过程中D项不一定是必须项，这需要看图像是否有在靠近平衡位置时出现“猛扎子”，
    • 如果有就要
    • 没有的话，加了就是画蛇添足

增量式PID定速控制 链接到标题

公式上的区别体现在代码上就是改变的不再是out值而是$\Delta$out值，即调控代码变成了

Actual=Encoder_Get();
Error2=Error1;
Error1=Error0;
Error0=Target-Actual;
Out+=Kp*(Error0-Error1)+Ki*Error0+Kd*(Error0-2*Error1+Error2);

注意，这里使用的是out+，也就是自带了一个 积分器功能，这是使用积分器要注意的。

实际的使用与位置式基本一样，但有一点区别

  • 当$K_p$、$K_i$、$K_d$都为0时，增量式PID的输出out直接为0，而位置式PID的输出的只是$\Delta$out为0，但out维持原值不变，在这个过程中我们可以自由设定target值和out值(根据经验设置)，此时相当于pid调控暂停，电机控制进入开环状态因此，我们可以用增量式PID来实现**手动控制(开环控制)和自动控制(PID)**的切换。
  • 同时，out+=功能的代码顺手也实现了积分限幅的功能(之后会讲到)

定位控制 链接到标题

改代码 链接到标题

  • 使用积分累加的形式由测量的速度得到位置
Actual+=Encoder_Get();//通过积分来计算位置
  • 改一下一些OLED的显示设置
  • 在测量位置实验后发现转一圈大概为408，所以改一下映射关系
Target=RP_GetValue(4)/4095.0*816-408;

实验 链接到标题

  • 可以看出在只有P已经很好了，太大的话会出现过冲以及震荡()
  • D可以用于削弱P太大导致的过冲，不会产生自激振荡，但是太大的话会降低响应速度造成卡顿。
  • I就很关键了，如有需要可以有，但是太大的话就会出现严重的自激振荡，请看下面的图alt text，这个就是由于I项过大导致的自激振荡。并且如果我不停止，他应该会在驱动力足够的情况下无限增大下去。

增量式 链接到标题

一样的改法，就不在赘述。可以实现手动和自动的切换，但是这里会出现一些问题，

  • 就是如果初始的out是错的，纯比例项调节在误差很小情况下呗阻力干扰，无法调节
  • 另一方面，这也会影响P的无记忆性。