2021-02-15

**

神车是：设计的时间 > 装车的时间 > 调试的时间

PID是什么？

**
PID是一种控制方法。P:propotional比例;I:integral积分;D:derivative微分。
利用PID可以快速高效地进行闭环控制，也就是使输出量能通过与给定量的比较，来控制输入量，使输出量尽可能接近给定量，且时间尽可能短。
PID分为位置式和增量式两种，对应不同的数学表达式。根据智能小车之家的视频介绍，两种控制方式效果一致。我觉得位置式更好理解。先用位置式做，先做出来，再看着学学增量式，看两者是否有区别。

**

为什么要用PID？有什么好处？

**
用PID做闭环控制简单。如果做开环控制，效果不好。做闭环控制，PID是最简单的实现方式。且不用数学建模。根据《智能车制作》一书，用理论调节PID参数，需要对电机调速系统中各个组成部分进行数学建模，并通过自动控制理论在频域对其稳定性和参数进行分析和设计，难度较大。并且车模并非完全的线性系统，用PID这种线性控制方法得到的参数也无法直接应用。所以最好还是直接用经验法调参数，可以先不进行过多的理论学习-。上手快。

**

PID有什么不好的地方？可不可以改进控制方法？

**
PID三个参数分别对系统的性能在各个方面既有好的影响，也有不好的影响。只使用PID控制不可能使系统在各方面都达到最好的效果。
改进的话
我们可以充分认识到PID三个参数的意义。再根据被控对象的不同，选择性采用三个参数。
限幅器是必要的。但在一个B站视频中，UP主对积分进行了限幅，消除了引入I变量后的一堆震荡。但在《智能车制作》中电机的PI输出接一个限幅器，用于防止输出量无限制增加或减少以致超出PWM调节器允许范围。这里我需要对I变量的影响作进一步认识，并且看些技术报告，看别人是怎么做的。
《智能车制作》中还提出了分段PID（不同段采用不同的PID参数，难点在于分段点的确定和调参难度的增大）、模糊PID（根据经验确定模糊规则库，通过模糊化、模糊推理、解模糊等步骤实现PID的变参数调节，可理解为优化后的分段PID控制）。
积分分离（为避免偏差较大时PID控制器产生的积分饱和问题，通过算法，使在适当的时候自动引入或移除I变量）。
速度电流双闭环控制。在直流电机调速系统中加入电流内环后，因为电流和转矩，转矩和转速有直接的对应关系，在系统外部转矩变化时，电流内环可以快速响应其变化，在外转速环为响应前进行调节，从而可以调高系统的外部抗扰能力，降低外部转矩扰动对电机转速的影响。又由于存在了电压环限幅器，嗲牛给定值被限制在安全范围内，可以对电机起到一定保护作用。*但首先，得要有电流采样电路才能实现此功能。*另：电流内环的控制频率与电流采样频率一般要大于1KHz，或者与PWM输出频率保持一致。
数字滤波、微分先行（解决微分放大干扰的问题）。
我认为
应该先依照惯例选取PID参数个数，先把功能做出来。
然后考虑手动设定分段PID控制。因为我认为，串级PID中，姿态控制与速度控制密切相关，且姿态优先级高，也就是，其实姿态是速度控制的一个输入量。并且直观地来讲，应该是车身越斜，速度越快。因为只有更快地向前跑才能防止车往前倒。而小车最后冲刺阶段，是又平又直的路，完全可以加大小车前倾，从而加快速度，实现冲刺。我们可以采用计时的方式进行中断，或者根据赛道的某些标志进行中断。
然后《智能车制作》中有介绍积分防饱和方法，应该也是经过检验的可行方案。也可以尝试。
其余恐怕难度太大，此次不建议采用吧。

**

要在哪些地方进行PID控制？

**
主要一个是直立的姿态，一个是前进的速度，一个是转向的角度。另外一个是电流的大小，作为直流电机调速的内环控制。这里要求有电流采样电路，先得确认有这个功能再说。
控制小车直立和控制小车前进其实都是控制电机转速。控制转向角度，其实是控制舵机角度。
所以我们有两个闭环控制系统。一个的被控对象是电机，被控量是转速，测量元件是迷你编码器，执行机构是电机驱动。另一个被控对象是舵机，被控量是角度，测量元件是加速度计*（摄像头在这里面是什么作用还不知道）*。

**

PID控制性能有什么指标？

**
稳：速度输出值可以稳定跟随速度给定值，不随外界因素，如电池电量、赛道坡度等变化而产生较大偏差。（从阶跃响应上看应该是收敛的）
快：智能车输出速度能快速调节到给定速度，或在系统输出因外部扰动而存在偏差时能够快速恢复。（上升时间、超调时间、调整时间。上升时间最明显）
准：系统给定值与实际输出值稳态误差小，系统输出精度高。

**

PID调参方法

**
PID参数对系统的影响：
P：较大时，系统的过渡过程较快，但过大容易产生震荡
I: 较大时，系统的精度调节较好，但超调量变高，过渡过程可能存在震荡，系统稳定性下降。较小时，稳态误差消除变慢，但系统的稳定性较高。
D：有助于减少系统超调量，提高系统的响应速度，但具有放大噪声的作用，从这个角度看是不利于系统稳定性的。
PI改善稳态特性，PD改善动态特性

目标：
稳快准。智能车对快的需求更大，所以可以采取P较大I不太大的方案。
调试方式：
1.仿真：大概看看就好。
2.液晶显示：简单显示给定转速，实测转速，PID参数。
3.上位机双向通信。展示的信息很丰富且可以在线数据调试。
4.实物测量：示波器测电机电流，转速测量仪测电机转速。但测量结果和单片机中的数字量有差别，不很可靠。
5.DA转化，在用示波器观察。太麻烦，也不是很可靠。

经验：
《看过的一篇较好的解释PID的文章，分享只为新手~》推荐速度慢时采用PID，充分认识到各参数意义，发现问题。提高速度后会发现响应变慢，可以去除I，用PD。建议在3m/s后就用PD控制。

《PID控制经验,回复别人问题时不小心写的,觉得有必要以自己名义发帖》推荐转向控制用PD，速度控制用增量PI（可以加D，但要限幅）。
对于位置式PD, OutVal = P*(InNew-InSet) + D*(InNew-InOld);
参数调节:

1. 一般先调P, 初次设参数时, 估计单独的"P*(InMax-InMin)"能使输出达到最大. 此处建议初始值P = (OutMax-OutMin)/(InMax-InMin). 然后修改参数P已达到一个较好效果, 很可能达不到要求, 调到效果无法明显改善为止.
2. 接着调D, 先注意InOld很可能不是上一次采集的值, 可能是10次甚至20次前的值(视情况而定), 以削弱随机误差的影响. 若采用上面的计算式, D一般设置成P的好几倍, 初始设定, 可设置成3P.
   最后, 修改轮流修改PD参数,调到效果无法明显改善为止.
   PS:一般经过几次修改后, 再改参数效果就不明显, 这种情况,可能的原因有两种: 1. 参数改的幅度太小. 2. 确实到极限了,这就需要从其他方面想办法.
   对于增量式PI, 这种方式一般用于控制大滞后的系统(如速度/温度控制), OutVal += P*(InNew-InOld) + I*(InNew-InSet) ;
   注意:
3. P后面乘的是偏差的微分(差分), I后面乘的是偏差, 这是因为这个方程本质上是实现积分(累加)功能, 偏差的微分(差分)经过积分(累加)后就是偏差(对应参数P), 而偏差经过积分(累加)后就对应I.
4. 后续代码记得限制OutVal∈[OutMin,OutMax]
5. 此处的InOld一般是上一次采集的数据,不必是多次前的, 用多次之前的数据反而会降低系统的实时性, 因为理论上积分可以削弱随机误差的影响. 然而控制系统实际情况难以完全用理论概括, 具体实现视情况而定!!!
   参数调节:
6. 先调I参数, 关于初始值的设置, 一般I*(InMax-InMin)能使OutVal在T内达到最大值(T为被控对象的时间常数). 则初始值可设置为I=(OutMax-OutMin)/(InMax-InMin)*dt/T=[1-(-1)]/(1-0) * 0.001/3=0.00066666666666667!
7. 接着P参数, 类似位置式P, 初始值P=(OutMax-OutMin)/(InMax-InMin).
   最后就是以PI参数为基础, 进行调节, 而调节的各种技巧, 实在是太多, 总之一句话 “好看的就是好的”. 另外调参数还得看具体指标.
   **注意:对于飞思卡尔竞赛速度控制宁愿反应稍慢,也别冒险产生震荡, 震荡(即便看起来不明显)会减小车轮的摩擦力, 进而减小弯道速度 **
   《PID调节经验总结》：
   (1) 确定比例系数P
   首先去掉PID的积分项和微分项，纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的60％～70％。比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60％～70％。
   (2) 确定积分时间常数Ti
   比例系数P确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150％～180％。
   (3) 确定微分时间常数Td
   微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30％。
   (4) 系统空载、带载联调
   对PID参数进行微调，直到满足性能要求。
   《PID的详细调试说明资料》给出了不少干货：
   PID调试一般原则
   　　a.在输出不振荡时，增大比例增益P。
   　　b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
   　　c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
   常用口诀：
   参数整定找最佳，从小到大顺序查
   先是比例后积分，最后再把微分加
   曲线振荡很频繁，比例度盘要放大
   曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
   曲线偏离回复慢，积分时间往下降
   曲线波动周期长，积分时间再加长
   曲线振荡频率快，先把微分降下来
   动差大来波动慢。微分时间应加长
   理想曲线两个波，前高后低4比1
   一看二调多分析，调节质量不会低

《双车接力组基于MM32SPIN27方案浅析–逐飞科技》
直立控制部分采用串级PID来进行控制。串级PID可以大大的提高车模的稳定性，内环控制频率为1Khz。一般分为三个环节，速度环、角度环、角速度环。实际上观察数据我们会发现加速的数值波动是十分大的，并且角速度才是直观反馈车模旋转的数据。
通常内环为角速度，外环为角度，内环控制周期1ms，外环控制周期5ms，速度环控制周期100ms。角度融合采用互补滤波，也可以使用卡尔曼滤波，计算量会大一点，滤波算法运行的时间更长一些。
在调试参数的时候，从内环开始调试。角速度环的效果就是阻碍车模前倾与后倾，角度环的效果就是维持车模的角度，速度环最终控制车模的轮速。

OLED通常显示：

• 陀螺仪基准数值
• 加速度计基准数值
• 运行速度设定
• 姿态控制调节参数
• 速度控制调节参数
• 方向控制调节参数
• 阈值设定
• 电磁传感器归一化设定
• 停车时间设定
• 起跑线检测时间设定
• 最大运行速度设定
• 坡道参数阈值

**

姿态控制

**

**

速度控制

**
可以将脉冲速度和实际速度通过实验大概记录下来。
**

偏航角控制

**
最重要的地方是在弯道进行转弯。转弯有一个安全速度，先以3m/s为基准，具体根据实地实验确定。