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[提要] 從我構(gòu)思圓夢(mèng)小車的第一天起，我就把實(shí)現(xiàn)小車速度PID控制作為目標(biāo)之一，前面雖做過(guò)多次嘗試，但均不滿意，故無(wú)意示人，此次總算是基本如愿了，在此與大家分享。
一、背景
從我構(gòu)思圓夢(mèng)小車的第一天起，我就把實(shí)現(xiàn)小車速度PID控制作為目標(biāo)之一，也許是我出身于自動(dòng)控制專業(yè)的情結(jié)吧。
在我寫的第一組關(guān)于智能小車的文章中（“尋跡小車 FollowMe”），就期望能實(shí)現(xiàn)小車 PID 調(diào)速，并且參照《電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制》一書寫了相應(yīng)的測(cè)速和控制程序，但不幸的是，沒(méi)有實(shí)現(xiàn) ，當(dāng)初以為是測(cè)速的分辨率過(guò)低（只有10個(gè)脈沖/輪子轉(zhuǎn)一圈）。
后來(lái)將小車升級(jí)，用開模具方式大大提高了測(cè)速的精度，推出了圓夢(mèng)小車第一代。測(cè)速精度達(dá)到了每轉(zhuǎn) 50個(gè)脈沖（如果用前后沿檢測(cè)，可以達(dá)到100個(gè)脈沖），但略作嘗試后還是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，似乎沒(méi)有找到問(wèn)題的根源。
準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是我沒(méi)有掌握PID控制程序，我雖是學(xué)習(xí)自動(dòng)控制出身，但畢業(yè)后從未實(shí)際應(yīng)用過(guò)PID控制，所有知識(shí)局限于當(dāng)初學(xué)校的實(shí)驗(yàn)，這也是我一直想在小車上實(shí)現(xiàn)PID的動(dòng)機(jī)之一：一個(gè)學(xué)自控的居然沒(méi)有在現(xiàn)實(shí)中運(yùn)用PID的能力，汗顏�。�
因?yàn)闊o(wú)力而為，所以在“圓夢(mèng)小車StepByStep”系列文章中，就跳過(guò)了這一段內(nèi)容。但心未死，想借助小車客戶中的高手之力完成之，為我打破這個(gè)僵局，可小車倒是送出去幾套，PID調(diào)速還是杳無(wú)音訊，無(wú)語(yǔ)！
隨著小車進(jìn)化至第三代（輪式驅(qū)動(dòng)單元）、第四代（FIRA小車），將PID調(diào)速的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的愿望越加強(qiáng)烈！為此，還找了朋友介紹個(gè)熟人幫忙，本來(lái)信心滿滿，因?yàn)榕笥颜f(shuō)這個(gè)人參加了 Freescale 智能車大賽，其中就用到了PID調(diào)速。為此我又送出了一套第四代圓夢(mèng)小車，更令我失望，連回音都沒(méi)有，郁悶！
這一切迫使我自己去嘗試！看來(lái)這種沒(méi)有多少經(jīng)濟(jì)利益的事少有人問(wèn)津，但愿是這個(gè)原因，而不是由于無(wú)能。
轉(zhuǎn)機(jī)緣于一個(gè)買了“輪式驅(qū)動(dòng)單元”的客戶（現(xiàn)在是朋友了），他告訴我，參考 Arduino 所提供的 PID 庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了“輪式驅(qū)動(dòng)單元”的調(diào)速，而且效果不錯(cuò)。（Arduino 是一個(gè)基于AVR單片機(jī)的開源平臺(tái)，經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，目前資源十分豐富）
我急切的下載了 Arduino 的PID 庫(kù)函數(shù) ，發(fā)現(xiàn)很有價(jià)值，就著手嘗試了，以下便是實(shí)施的過(guò)程。
二、PID庫(kù)函數(shù)的消化和移植 （由于排版麻煩，略，有興趣可下載 PDF 文檔） 三、嵌入程序前的準(zhǔn)備 …… 因?yàn)镻ID控制的基礎(chǔ)是以周期T測(cè)量，計(jì)算出偏差后修正輸出。而測(cè)量周期不能太長(zhǎng)，那樣響應(yīng)將滯后；但過(guò)短也沒(méi)有意義，因?yàn)閷?duì)象的慣性特征，導(dǎo)致極小的時(shí)間間隔中不會(huì)有變化。
根據(jù)小車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性，100ms左右的周期比較合適。
但小車的測(cè)速碼盤是直接設(shè)計(jì)在輪轂上的，雖說(shuō)每轉(zhuǎn)有100個(gè)脈沖（輪式驅(qū)動(dòng)單元），但相對(duì)于那些設(shè)計(jì)在電機(jī)輸出軸上的高級(jí)編碼器而言，分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。按 目前小車的減速箱設(shè)計(jì)，對(duì)于1：48減速箱，最快時(shí)100ms 約34個(gè)脈沖，而1：120減速箱才不到14個(gè)脈沖，如果調(diào)速范圍設(shè)置為50% 到 100% ，則脈沖數(shù)更少，分辨率無(wú)法滿足控制的要求，如果再降低周期，則更無(wú)法得到可靠的控制反饋了。
為此，首先得解決測(cè)速的分辨率問(wèn)題，因?yàn)榭刂扑俣葘儆谶\(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的任務(wù)，在起、停過(guò)程通常不需要。而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰2個(gè)脈沖的周期不會(huì)變化很大，故可以 據(jù)此利用前一周期的數(shù)值作為倍頻的依據(jù)，詳細(xì)算法此處不再贅述，有興趣者可以到我在GoogleCode上設(shè)立的開源項(xiàng)目：http://code.google.com/p/fira-mirosot-robot/ 中下載：
http://code.google.com/p/fira-mirosot-robot/downloads/detail?name=Introduction%20B%20-%20Hardware%20of%20the%20Smart%20Car.pdf&can=2&q=
其原理示意如下圖：
四、將PID計(jì)算嵌入程序 …… 五、PID參數(shù)整定前的準(zhǔn)備 從搜集的PID參數(shù)整定方法的資料看，多數(shù)需要能記錄速度變化的趨勢(shì)，也就是所謂的“對(duì)象動(dòng)態(tài)特性”測(cè)量，或者說(shuō)是“沖擊響應(yīng)”測(cè)量。
既然小車內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的速度檢測(cè)，且有通訊接口，為何不將速度送到PC機(jī)上，利用PC機(jī)顯示速度變化曲線，從而得到整定參數(shù)的依據(jù)。
可我PC機(jī)上的圖形編程能力太菜，虧得有個(gè)好友幫忙，為我寫了一個(gè)圖形顯示程序，使速度顯示成為現(xiàn)實(shí)。（由衷表示感謝！）
為了配合這個(gè)功能，在小車控制程序中增加了速度輸出，每次測(cè)量（20ms）都將速度結(jié)果送出，PC機(jī)根據(jù)這些速度數(shù)據(jù)繪出速度隨時(shí)間的變化曲線：
六、參數(shù)整定過(guò)程 輪式驅(qū)動(dòng)單元第二版驅(qū)動(dòng)很方便，用串口可以容易的控制，為了簡(jiǎn)化操作，是空載方式測(cè)試的，我用無(wú)線方式試驗(yàn)過(guò)，有載（裝在小車上）效果更好。下圖為空載調(diào)試方式：
從各類參數(shù)整定方式中，我感覺(jué)那個(gè)“齊格勒—尼克爾斯經(jīng)驗(yàn)法”比較容易實(shí)施，就按那個(gè)進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整，先關(guān)閉積分和微分作用，只保留P，在電機(jī)可以工作的 下限速度進(jìn)行整定（因?yàn)槲以囘^(guò)，如果在偏高的速度整定，則在低速工作時(shí)會(huì)振蕩，還無(wú)能力解釋），逐漸加大P使速度發(fā)生振蕩，如下圖:
此時(shí)得到臨界比例系數(shù)Pd，從圖上得到振蕩周期T ，根據(jù)“齊格勒—尼克爾斯經(jīng)驗(yàn)法”：
Kp Ki Kd
P 控制： 0.5Pd
PI控制： 0.45Pd 0.83T
PID控制： 0.6Pd 0.5T 0.125T 計(jì)算出PID系數(shù)，Pd = 22 ，T = 300ms ，按PID控制計(jì)算，得到：
Kp = 1.3， Ki = 0.15秒 Kd = 0.03秒 設(shè)置到程序中后，基本可以了，只是微分系數(shù)需要略作調(diào)整（降低到0.02秒，否則有些振蕩），設(shè)置后的速度曲線為：
七、結(jié)語(yǔ)
當(dāng)時(shí)得到這個(gè)結(jié)果時(shí)，我倍感很神奇！
因?yàn)樵缙诘囊患伦屛覍?duì)PID系數(shù)的配比感到神秘莫測(cè)：曾經(jīng)按照老外的示例做了個(gè)LEGO的兩輪平衡車，他也是用的PID控制，區(qū)區(qū)幾行程序，小車就站起來(lái)了�？墒俏覍⑺娜齻�(gè)系數(shù)隨便一改，哪怕是略作調(diào)整，小車就趴下了，很是靈驗(yàn)。
那時(shí)我就對(duì)PID系數(shù)的整定心存敬畏，同時(shí)也一直想嘗試?yán)贸绦蚴蛊渥兊貌荒敲瓷衩亍?br />
這次嘗試總算了結(jié)了我的心愿，爽！
借助這個(gè)工具，應(yīng)該可以解決許多需要PID控制的問(wèn)題，如兩輪平衡、差分驅(qū)動(dòng)小車走直線等，只要程序中能測(cè)出偏差；而這是必須的，否則PID控制也無(wú)從談起。
但愿此嘗試能起到拋磚引玉作用，使我們的愛(ài)好者們、多數(shù)大學(xué)生們所做的小車也能像那個(gè)外國(guó)人做的繞著茶杯轉(zhuǎn)的小車那樣流暢：
而不是只有參加FreeScale智能車大賽的同學(xué)才能做到。
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南京嵌入之夢(mèng)工作室
2011年4月23日星期六 用 CamStudio 錄制的 PID 調(diào)速動(dòng)態(tài)過(guò)程： 使用 1：120 減速箱：
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