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標(biāo)題: 飛思卡爾智能小車(chē)PID控制的通俗理解 [打印本頁(yè)]

作者: 51渣渣 時(shí)間: 2018-2-27 01:11
標(biāo)題: 飛思卡爾智能小車(chē)PID控制的通俗理解
很多同學(xué)都不清楚PID是個(gè)什么東西，因?yàn)楹芏嗖皇亲詣?dòng)化的學(xué)生。他們開(kāi)口就要資料，要程序。
這是明顯的學(xué)習(xí)方法不對(duì)，起碼，首先，你要理解PID是個(gè)什么東西。
本文以通俗的理解，以小車(chē)縱向控制舉例說(shuō)明PID的一些理解。
首先，為什么要做PID？
由于外界原因，小車(chē)的實(shí)際速度有時(shí)不穩(wěn)定，這是其一，
要讓小車(chē)以最快的時(shí)間達(dá)達(dá)到既定的目標(biāo)速度，這是其二。
速度控制系統(tǒng)是閉環(huán)，才能滿足整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定要求，必竟速度是系統(tǒng)參數(shù)之一，這是其三.
小車(chē)調(diào)速肯定不是線性的，外界因素那么多，沒(méi)人能證明是線性的。如果是線性的，直接用P就可以了。
比如在PWM=60%時(shí)，速度是2M/S，那么你要它3M/S，就把PWM提高到90%。因?yàn)?0/60=3/2，這樣一來(lái)太完美了。
完美是不可能的。
那么不是線性的，要怎么怎么控制PWM使速度達(dá)到即定的速度呢？即要快，又要準(zhǔn)，又要狠。（即快準(zhǔn)狠
）系統(tǒng)這個(gè)速度的調(diào)整過(guò)程就必須通過(guò)某個(gè)算法調(diào)整，一般PID就是這個(gè)所用的算法。
可能你會(huì)想到，如果通過(guò)編碼器測(cè)得現(xiàn)在的速度是2.0m/s,要達(dá)到2.3m/s的速度，那么我把pwm增大一點(diǎn)不
就行了嗎？是的，增大pwm多少呢？必須要通過(guò)算法，因?yàn)镻WM和速度是個(gè)什么關(guān)系，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，誰(shuí)也
不知道。要一點(diǎn)一點(diǎn)的試，加個(gè)1%,不夠，再加1%還是不夠，那么第三次你還會(huì)加1%嗎？很有可能就加2%了。
通過(guò)PID三個(gè)參數(shù)得到一個(gè)表達(dá)式：△PWM=a *△V1+b *△V2+c *△V3,a b c是通過(guò)PID的那個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的公式展開(kāi)
，然后約簡(jiǎn)后的數(shù)字，△V1 ，△V2 ，△V3 此前第一次調(diào)整后的速度差 ,第二次調(diào)整后的速度差,第三次。。
。。。一句話，PID要使當(dāng)前速度達(dá)到目標(biāo)速度最快，需要建立如何調(diào)整pwm和速度之間的關(guān)系。

輸入輸出是什么：
輸入就是前次速度，前前次速度，前前前次速度。
輸出就是你的PWM應(yīng)該增加或減小多少。

為了避免教科書(shū)公式化的說(shuō)明，本文用口語(yǔ)化和通俗的語(yǔ)言描述。雖然不一定恰當(dāng)，但意思差不多，就是那個(gè)事。如果要徹頭徹尾地弄PID，建議多調(diào)試，寫(xiě)幾個(gè)仿真程序。

PID一般有兩種：位置式PID和增量式PID。在小車(chē)?yán)镆话阌迷隽渴�，為什么呢？位置�?font face="Times New Roman">PID的輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e（每一次的控制誤差）進(jìn)行累加，這個(gè)計(jì)算量非常大，而明沒(méi)有必要。而且小車(chē)的PID控制器的輸出并不是絕對(duì)數(shù)值，而是一個(gè)△，代表增多少，減多少。換句話說(shuō)，通過(guò)增量PID算法，每次輸出是PWM要增加多少或者減小多少，而不是PWM的實(shí)際值。

下面均以增量式PID說(shuō)明。

這里再說(shuō)一下P、I、D三個(gè)參數(shù)的作用。P=Proportion，比例的意思，I是Integral，積分，D是Differential微分。

打個(gè)比方，如果現(xiàn)在的輸出是1，目標(biāo)輸出是100，那么P的作用是以最快的速度達(dá)到100，把P理解為一個(gè)系數(shù)即可；而I呢？大家學(xué)過(guò)高數(shù)的，0的積分才能是一個(gè)常數(shù)，I就是使誤差為0而起調(diào)和作用；D呢？大家都知道微分是求導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)數(shù)代表切線是吧，切線的方向就是最快到至高點(diǎn)的方向。這樣理解，最快獲得最優(yōu)解，那么微分就是加快調(diào)節(jié)過(guò)程的作用了。

公式本來(lái)需要推導(dǎo)的，我就不來(lái)這一套了。直接貼出來(lái)：

看看最后的結(jié)果：

△Uk=A*e(k)+B*e(k-1)+C*e(k-2)

這里KP是P的值，TD是D的值，1/Ti是I的值，都是常數(shù)，哦，還有一個(gè)T，T是采樣周期，也是已知。而A B C是由P I D換算來(lái)的，按這個(gè)公式，就可以簡(jiǎn)化計(jì)算量了，因?yàn)?font face="Times New Roman"> P I D 是常數(shù)，那么A B C可以用一個(gè)宏表示。這樣看來(lái)，只需要求e(k) e(k-1) e(k-2)就可以知道△Uk的值了，按照△Uk來(lái)調(diào)節(jié)PWM的大小就OK了。PID三個(gè)參數(shù)的確定有很多方法，不在本文討論范圍內(nèi)。采樣周期也是有據(jù)可依的，不能太大，也不能太小。

........................

寫(xiě)著寫(xiě)著成了老太婆的裹腳了，本來(lái)說(shuō)拿個(gè)程序來(lái)說(shuō)明一下，看來(lái)只能在下一文中了。

PID實(shí)際編程的過(guò)程的，要注意的東西還是有幾點(diǎn)的。PID這東西可以做得很深。

1 PID的診定。湊試法，臨界比例法，經(jīng)驗(yàn)法。

2 T的確定，采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過(guò)程的擾動(dòng)信號(hào)的周期，在小車(chē)程序中一般是ms級(jí)別。

3 目標(biāo)速度何時(shí)賦值問(wèn)題，如何更新新的目標(biāo)速度?這個(gè)問(wèn)題一般的人都乎略了。目標(biāo)速度肯定不是個(gè)恒定的，那么何時(shí)改變目標(biāo)速度呢？

4 改變了目標(biāo)速度，那么e(k) e(k-1) e(k-2)怎么改變呢？是賦0還是要怎么變？

5 是不是PID要一直開(kāi)著？

6 error為多少時(shí)就可以當(dāng)速度已達(dá)到目標(biāo)？

7 PID的優(yōu)先級(jí)怎么處理，如果和圖像采集有沖突怎么辦？

8 PID的輸入是速度，輸出是PWM，按理說(shuō)PWM產(chǎn)生速度，但二者不是同一個(gè)東西，有沒(méi)有問(wèn)題？

9 PID計(jì)算如何優(yōu)化其速度？指針，匯編，移位？都可以試！

//*****************************************************

//定義PID結(jié)構(gòu)體

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typedef struct PID

{

int SetPoint; //設(shè)定目標(biāo) Desired Value

double Proportion; //比例常數(shù) Proportional Const

double Integral; //積分常數(shù) Integral Const

double Derivative; //微分常數(shù) Derivative Const

int LastError; //Error[-1]

int PrevError; //Error[-2]

} PID;

//*****************************************************

//定義相關(guān)宏

//*****************************************************

#define P_DATA 100

#define I_DATA 0.6

#define D_DATA 1

#define HAVE_NEW_VELOCITY 0X01

//*****************************************************

//聲明PID實(shí)體

//*****************************************************

static PID sPID;

static PID *sptr = &sPID;

//*****************************************************

//PID參數(shù)初始化

//*****************************************************

void IncPIDInit(void)

{

sptr->LastError = 0; //Error[-1]

sptr->PrevError = 0; //Error[-2]

sptr->Proportion = P_DATA; //比例常數(shù) Proportional Const

sptr->Integral = I_DATA; //積分常數(shù)Integral Const

sptr->Derivative = D_DATA; //微分常數(shù) Derivative Const

sptr->SetPoint =100; 目標(biāo)是100

}

//*****************************************************

//增量式PID控制設(shè)計(jì)

//*****************************************************

int IncPIDCalc(int NextPoint)

{

int iError, iIncpid; //當(dāng)前誤差

iError = sptr->SetPoint - NextPoint; //增量計(jì)算

iIncpid = sptr->Proportion * iError //E[k]項(xiàng)

- sptr->Integral * sptr->LastError //E[k－1]項(xiàng)

+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; //E[k－2]項(xiàng)

sptr->PrevError = sptr->LastError; //存儲(chǔ)誤差，用于下次計(jì)算

sptr->LastError = iError;

return(iIncpid); //返回增量值

}

Int g_CurrentVelocity;

Int g_Flag;

void main(void)

{

DisableInterrupt

InitMCu();

IncPIDInit();

g_CurrentVelocity=0; //全局變量也初始化

g_Flag=0; //全局變量也初始化

EnableInterrupt;

While(1)

{

if (g_Flag& HAVE_NEW_VELOCITY)

{

PWMOUT+= IncPIDCalc(CurrentVelocity);

g_Flag&=~ HAVE_NEW_VELOCITY;

}

//****************************************

//采樣周期T

//****************************************

Interrrupt TIME void

{

CurrentVelocity =GetCurrentVelocity;

g_Flag|= HAVE_NEW_VELOCITY;

}

完整的pdf格式文檔51黑下載地址（共5頁(yè)）：

飛思卡爾小車(chē)PID控制的通俗理解.pdf (249.29 KB, 下載次數(shù): 110)

作者: 大峪 時(shí)間: 2018-6-1 19:30
樓主厲害啊

作者: zhangshanqiao 時(shí)間: 2018-6-2 07:07
學(xué)習(xí)了。仔細(xì)看了半天，sptr->LastError = 0;語(yǔ)句的sptr->的前綴第1次遇到，可能是C語(yǔ)言的知識(shí)太欠缺了。而這個(gè)sptr->的前綴應(yīng)用的地方還挺多。

作者: zl瓜 時(shí)間: 2020-5-1 17:57
樓主感覺(jué)你的PID不像是增量式��？

作者: 蛋殼蛋殼 時(shí)間: 2020-5-3 21:37

zhangshanqiao 發(fā)表于 2018-6-2 07:07
學(xué)習(xí)了。仔細(xì)看了半天，sptr->LastError = 0;語(yǔ)句的sptr->的前綴第1次遇到，可能是C語(yǔ)言的知識(shí)太欠缺了。而 ...

結(jié)構(gòu)體的用法

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