直流電機控制算法看這就懂了

直流電機控制算法的作用是接受指令速度值，通過運算向電機提供適當的驅動電壓，盡快地和盡快平穩地使電機轉速達到指令速度值，并維持這個速度值。換言之，一旦電機轉速達到了指令速度值，即使在各種不利因素(如斜坡、碰撞之類等使電機轉速發生變化的因素)的干擾下也應該保持速度值不變。為了提高機器人小車控制系統的控制精度，選用合適的控制算法顯得十分必要?？刂扑惴ㄊ侨魏伍]環系統控制方案的核心，然而并非越復雜、精度越高的算法越好，因為比賽要求非常高的實時性，機器人必須在非常短的時間內作出靈敏的反應，所以現代的一些先進控制算法，比如模糊控制、神經元網絡控制等就不能應用到小車控制系統里。本系統選用了最常規、最經典的PID控制算法，通過實際應用取得了很好的效果。下圖是PID控制原理結構圖。

1 比例項

控制回路中的第一個偏差轉換環節就是比例項。這一環節簡單地將偏差信號乘以常數K 得到新的CV值(值域為-100~100)?；镜谋壤刂扑惴ㄈ缦拢?/p>

loop:

PV=ReadMotorSpeed

Error=SP-PV

CV=Error*Kprop

Setpwm(cv)

Goto loop

其中SP為設定值，PV為反饋值，Error為誤差。

上一段程序中的SetPWM函數并非將CV值作為絕對的PWM占空比來對待。否則，不斷降低的偏差值會使輸出值接近零，而且由于電機工作時需要持續的PWM信號，控制系統將會使電機穩定在低速運轉狀態上，從而導致控制系統策略失敗。

相反，CV值一般被取作當前PWM占空比的改變量，并被附加到當前的PWM占空比上。這也要求SetPWM函數必須將相加后得到的PWM占空比限制在0%~100%。正的CV值將使電機兩端電壓增加。負的CV值將使電機兩端電壓降低。如果CV值等于0，則無需改變但前占空比。較低的K 值會使電機的速度響應緩慢，但是卻很平穩。較高的K 值會使速度響應更快，但是卻可能導致超調，即達到穩定輸出前在期望值附近振蕩。過高的K 值會導致系統的不穩定，即輸出不斷震蕩且不會趨于期望值。

2 積分項

積分正好與微分相對。假如有一個描述變化率(微分)的表達式，那么對該表達式的積分就將得到隨時間變化的原物理量。如加速度的積分是速度，速度的積分是位移。

在PID控制回路中，偏差的積分代表從控制開始時算起所有偏差積累的總和。該總和被常數K 所乘后再添加到回路輸出中。在回路中，如果沒有積分環節，盡管控制系統也會趨于穩定，但是由于某種原因輸出值可能最終也無法達到SP值。

一個簡單但完全的PID控制器地偽代碼實現如下：

loop:

PV=ReadMotorSpeed

LastError=Error

Isum=Isum+Error

Error=SP-PV

Rate=Error-LastError

CV=Error*Kprop+Krate*Rate+Kint*Isum

SetPWM(CV)

Goto loop

由于積分項會越來越大，這就會使控制回路在SP值的改變時響應變慢，某些應用場合在CV值達到取值邊界(如為：-100~100)時會停止累加Isum。在SP值改變時，也可以除去Isum項。

3 微分項

任何變量的微分項被用來描述該變量是如何相對于另一個變量(多位時間)變化的。換句話說，任何變量的微分項就是它隨時間的變化率。如位移隨時間的變化率是速度。速度相對于時間的微分是加速度。

在PID控制器中，值得關心的是偏差信號相對于時間的微分，或稱變化率。絕大多數控制器將微分項定義為：

Rate=(E-E )/T

式中，E為當前偏差，E 為前次偏差值，T為兩次測量的時間間隔。負的變化率表明偏差信號的改善。當微分項被具體應用于控制器中時，將一個常數乘以該微分項，并將它加到比例項上，就可以得到最終的CV值計算公式：

CV=( K E)+( K Rate)

當偏差信號接近零時，CV值將為負，所以當偏差信號開始改善時，微分項的作用將逐漸減弱校正輸出量。在某些場合下，微分項還有利于超調量的消除，并可以允許使用較大的K 值，從而可以改善響應的快速性。微分環節還預示了偏差信號的變化趨勢。當控制對象對控制器的輸出響應遲緩時，微分環節的作用尤為明顯。

含有微分項的控制算法的偽代碼實現如下：

loop:

PV=ReadMotorSpeed

LastError=Error

Error=SP-PV

Rate=Error-LastError

CV=Error*Kprop+Krate*Rate

SetPWM(CV)

Goto loop

4 PID的整定方法

在整定PID控制器參數時，可以根據控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系，用實驗的方法來調節控制器的參數。有經驗的調試人員一般可以較快地得到較為滿意的調試結果。在調試中最重要的問題是在系統性能不能令人滿意時，知道應該調節哪一個參數，該參數應該增大還是減小。

為了減少需要整定的參數，首先可以采用PI控制器。為了保證系統的安全，在調試開始時應設置比較保守的參數，例如比例系數不要太大，積分時間不要太小，以避免出現系統不穩定或超調量過大的異常情況。給出一個階躍給定信號，根據被控量的輸出波形可以獲得系統性能的信息，例如超調量和調節時間。應根據PID參數與系統性能的關系，反復調節PID的參數。

如果階躍響應的超調量太大，經過多次振蕩才能穩定或者根本不穩定，應減小比例系數、增大積分時間。如果階躍響應沒有超調量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調整參數。

如果消除誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間，增強積分作用。

反復調節比例系數和積分時間，如果超調量仍然較大，可以加入微分控制，微分時間從0逐漸增大，反復調節控制器的比例、積分和微分部分的參數。

總之，PID參數的調試是一個綜合的、各參數互相影響的過程，實際調試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必須的。