機(jī)器人云臺控制中的PID技術(shù)應(yīng)用

常周林

（廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系 廣東 東莞 523083）

機(jī)器人云臺控制中的PID技術(shù)應(yīng)用

常周林

（廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系 廣東 東莞 523083）

PID是控制理論中一種最主流的控制算法，其優(yōu)點(diǎn)就是簡單高效，很多高級的控制算法也都是在PID的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和演變而來。在比賽機(jī)器人控制系統(tǒng)中，PID 被應(yīng)用在很多場景下的運(yùn)動狀態(tài)控制。運(yùn)用PID技術(shù)控制機(jī)器或是機(jī)器人，系統(tǒng)可以通過MATLAB仿真驗(yàn)證PID的控制效果。

機(jī)器人；云臺控制；PID實(shí)現(xiàn)

1 PID簡述

在日常生活中，我們每家每戶都有用的恒溫電器。比如空調(diào)、冰箱和電磁爐等，這些電器都能夠?qū)⒆约旱墓ぷ鳝h(huán)境穩(wěn)定在某一個(gè)溫度。我們設(shè)置空調(diào)為26℃，它就能將室內(nèi)溫度保持在26℃左右而不會是16℃；設(shè)置電磁爐為180℃，它也不會燒到280℃。這背后其實(shí)隱藏的，是一雙無形的手在控制著它們的工作，那就是PID（Proportion Integration Differentiation）控制技術(shù)。

2 機(jī)器人云臺控制原理

在RoboMaster比賽中，為了讓機(jī)器人的槍口可以在一定角度內(nèi)自由調(diào)整，同時(shí)為了保證在不平坦的場地運(yùn)行時(shí)，發(fā)射機(jī)構(gòu)能盡量穩(wěn)定，就會在機(jī)器人的底盤上加裝一套云臺。賽場上的云臺大多數(shù)是由無刷電機(jī)驅(qū)動的。通過改變電機(jī)的電流大小，可以調(diào)整電機(jī)運(yùn)行的速度；通過改變電機(jī)的電流正負(fù)，可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。同時(shí)，電機(jī)內(nèi)部還有傳感器在記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置，再加上一定的算法處理，就可以知道云臺應(yīng)該擺在哪個(gè)方向，也就是實(shí)際角度值。知道了實(shí)際角度，機(jī)器人身上的控制器（主控）再發(fā)送電流值給云臺電機(jī)，云臺就可以接近完美地?cái)[到目標(biāo)角度。

如果給云臺電機(jī)發(fā)送很大的電流值，云臺就可以快速往指定的方向運(yùn)行，但這樣很容易剎不住車，超過預(yù)期的目標(biāo)位置；如果發(fā)送的電流太小，又會導(dǎo)致云臺行動慢吞吞，跟不上大能量機(jī)關(guān)的數(shù)字刷新。因此，還要平衡云臺的速度和精確度。有效的辦法就是，根據(jù)距離目標(biāo)值的遠(yuǎn)近來調(diào)節(jié)云臺的速度，離得遠(yuǎn)就轉(zhuǎn)快一些，離得近就慢一些。這樣就需要我們實(shí)時(shí)獲取云臺當(dāng)前的實(shí)際角度，然后和目標(biāo)角度做對比，根據(jù)差值來動態(tài)地調(diào)整云臺的速度和方向。只根據(jù)上述的參數(shù)來調(diào)節(jié)還不足以達(dá)到云臺控制的理想性能，為了讓云臺實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、減小誤差、消除擾動，在實(shí)際控制過程中我們需要使用PID控制器。

云臺運(yùn)動一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制原理如圖1所示。主控獲得云臺電機(jī)的實(shí)時(shí)位置和目標(biāo)位置后，告訴云臺電機(jī)應(yīng)該怎么走。云臺的實(shí)際坐標(biāo)被陀螺儀/編碼器（檢測裝置）記錄下來實(shí)時(shí)發(fā)送給控制器（主控），控制器獲知目標(biāo)坐標(biāo)后，通過計(jì)算得出目標(biāo)電流值發(fā)送給云臺電機(jī)，云臺電機(jī)就運(yùn)動一定角度。電機(jī)運(yùn)動云臺實(shí)際坐標(biāo)會改變，主控就知道接下來還差多少角度，再計(jì)算發(fā)送電流值，如此循環(huán)。

圖1 閉環(huán)PID控制系統(tǒng)原理圖

一般機(jī)器人比賽中的 PID 控制算法側(cè)重于軟件實(shí)現(xiàn)。在賽場上，PID 也同樣被應(yīng)用在很多場景下的機(jī)器人狀態(tài)控制。下面是用PID 技術(shù)來控制云臺的軟件實(shí)現(xiàn)方法。我們可以用偽代碼描述一下其三個(gè)環(huán)節(jié)的工作：

{

本次誤差=目標(biāo)值-實(shí)際值

P輸出o=Kpo*本次誤差

I輸出o+=oKi*本次誤差

D輸出o=Kdo*（本次誤差-上次誤差）/*由于軟件實(shí)現(xiàn)是個(gè)離散的，故用差分代替微分*/

PID輸出=P輸出+I輸出+D輸出

上次誤差=本次誤差o/*每次循環(huán)結(jié)束前記得更新上次誤差值喲～*/

}

3 云臺PID控制算法仿真

在MATLAB中的Simulink組件中，可以找到用來仿真含有PID的系統(tǒng)，下面我們通過一次仿真驗(yàn)證PID的控制效果。

在PID控制器中僅改變Kpo的值，Kd、Kio保持為0，如圖2所示，通過示波器波形我們可以發(fā)現(xiàn)：

圖2 改變Kp 時(shí)控制系統(tǒng)仿真波形圖

通過調(diào)節(jié)oKpo我們可以改變系統(tǒng)的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，隨著oKpo的增大，系統(tǒng)相應(yīng)速度加快，靜態(tài)誤差也逐漸減小。聽起來似乎oKpo是越大越好，其實(shí)不然，Kpo的增大時(shí)系統(tǒng)的截止頻率隨之增大，但相頻特性不受oKpo影響，因此系統(tǒng)的相位裕度也會隨之減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱。

由于僅僅有比例環(huán)節(jié)無法消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，我們給系統(tǒng)加入積分環(huán)節(jié)。保持oKp=10，Kd=0，改變oKio的值，如圖3所示。

圖3 改變Ki 時(shí)控制系統(tǒng)仿真波形圖

通過示波器波形我們可以看到oKi過小時(shí)消除穩(wěn)態(tài)誤差所需時(shí)間較長，而oKi過大時(shí)則會引起系統(tǒng)振蕩。積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)類型，消除穩(wěn)態(tài)誤差，但同時(shí)積分環(huán)節(jié)引入了-90°相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Kio調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)不穩(wěn)定。

最后我們加上微分環(huán)節(jié)，保持oKp=10，Ki=10，改變Kdo的值，如圖4所示。

圖4 改變Kd 時(shí)控制系統(tǒng)仿真波形圖

由示波器波形我們可以看出提高oKdo加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，但是oKdo過大時(shí)在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后會放大噪聲，減小系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)語

由于PID結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止自動控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法。從近在身邊的空調(diào)溫度調(diào)節(jié)，到遠(yuǎn)在太空的宇宙飛船，都離不開PID。PID算法是最為經(jīng)典的控制理論，也是一種樸素簡單卻非常實(shí)用的算法。

[1]姚俊，謝克明.自動控制原理[M]電子工業(yè)出版社，2004年.

[2]張錫忠.淺析機(jī)電自動控制技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2012(03).

[3]姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真[M]西安電子科技大學(xué)出版社，2004年.

[4]王科.自動控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國科技信息，2011(20).

TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0061-03