自动车速度闭环控制器设计

速度闭环控制器设计
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活

图1. PID控制系统原理图
离散化公式:

当|e(t)<=β时

当|e(t)|>β时，q0 = Kp(1+Td/T)；q1 = -Kp(1+2Td/T)；q2 = Kp Td /T；u(t) = u(t-1) + Δu(t)

参数调整一般步骤：

1、确定比例增益。

P确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0，PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%_{70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡。再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%}70%。比例增益P调试完成。

2、确定积分时间常数Ti。比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大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%。积分时间常数Ti调试完成。

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。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

4、系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

PID控制器参数整定的方法：

1、理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

2、工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。

(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。

(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

控制器主要由两个数据结构类型:

typedef struct{float de ;                             //各个电机当前误差值float fe ;                              //各个电机误差积分float de1;                            //各个电机历史误差1float de2;                            //各个电机历史误差2int out;                             //各个通道最终PWM输出}PIDDateBaseTypedef;                  //pid数据结构类型typedef
struct{float kp;                                     //比例权重float ki;                                      //积分权重float kd;                                     //微分权重}PIDParamBaseTypedef;               //pid参数结构类型

控制器的执行由定时器中断分频器发起，实现过程部分代码：

#define
MOTOR_OUTPUT_MAX                                   999#define
MOTOR_SPEED_PID_KP                           2.400#define
MOTOR_SPEED_PID_KI                            1.000#define
MOTOR_SPEED_PID_KD                           0.000#define
PI                                                                                 3.1415926535897932384626433832795const
PIDParamBaseTypedef PARAM_PID = {//电机pid速度控制参数.kp = MOTOR_SPEED_PID_KP,                        //比例权重.ki = MOTOR_SPEED_PID_KI,                         //积分权重.kd = MOTOR_SPEED_PID_KD,                       //微分权重};float
g_TargetSpeed[4]      = {0,0,0,0};//目的速度float
g_MotorSpeed[4]      = {0,0,0,0};//当前速度//速度值更新void
updataSpeed(void){int16_t etr[4];//获得编码器值etr[0] = TIM1->CNT;//M1TIM1->CNT = 0;etr[1] = TIM4->CNT;//M2TIM4->CNT = 0;etr[2] = TIM3->CNT;//M3TIM3->CNT = 0;etr[3] = TIM2->CNT;//M4TIM2->CNT = 0;for(int i = 0;i < 4;i++){float etrtemp = 0;//编码器脉冲计算轮角速度//360度常量 2*80 = 160tetrtemp = ((float)(etr[i] %
30000)) / (2.0 * 80.0);//角速度计算轮线速度etrtemp = etrtemp * (66 * PI);//写入线速度到全局g_MotorSpeed[i] = etrtemp * 10.0 *
0.25;}}//设定目的速度void
SetTargetSpeed(int16_t s1,int16_t s2,int16_t s3,int16_t s4){g_TargetSpeed[0] = s1;g_TargetSpeed[1] = s2;g_TargetSpeed[2] = s3;g_TargetSpeed[3] = s4;}//上传速度值void
sendUpMotorSpeed(void){uint8_t str[500];//sprintf((char
*)str,"%03.2f,%03.2f,%03.2f,%03.2f\r\n",g_MotorSpeed[0],g_MotorSpeed[1],g_MotorSpeed[2],g_MotorSpeed[3]);//分速度的合成float Vx = (((g_MotorSpeed[0] +
g_MotorSpeed[2]) / 2) + ((g_MotorSpeed[1] + g_MotorSpeed[3]) / 2) ) /
2;float Vw = ((((g_MotorSpeed[0] -
g_MotorSpeed[2]) / 2) * 0.891749586 / 187.833) + (((g_MotorSpeed[1] - g_MotorSpeed[3]) / 2) *
0.891749586 / 187.833)) / 2;uint8_t Syx,Syw;Syx = (Vx >= 0) ? 'A':'B';Syw = (Vw >= 0) ? 'A':'B';Vx = (Vx >= 0) ? Vx : -Vx;Vw = (Vw >= 0) ? Vw : -Vw;uint16_t vxi = Vx ;uint16_t vwi = Vw * 1000;sprintf((char
*)str,"<S%c%03d,%c%04d>\r\n",Syx,vxi,Syw,vwi);if(g_MotorSpeed[0] != 0){USART_SendString(USART3,str);}USART_SendString(USART1,str);}/*** @brief
MotorSpeedPidCtrl.*
Out = Kp[e(k)]+ki∑e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]*
其中积分项和微分项受大扰动误差阀值范围生效标志位控制* @retval None*/void
MotorSpeedPidCtrl(void){static PIDDateBaseTypedef pid[4] = {[0].de    = 0, [1].de    = 0, [2].de    = 0, [3].de    = 0, [0].fe     = 0,  [1].fe  = 0,
[2].fe  = 0,  [3].fe  =
0, [0].de1 = 0,  [1].de1 = 0,
[2].de1 = 0,  [3].de1 = 0, [0].de2 = 0,  [1].de2 = 0,
[2].de2 = 0,  [3].de2 = 0, [0].out = 0,  [1].out = 0,
[2].out = 0,  [3].out = 0, };//进行PID控制计算for(int i = 0;i < 4;i++){//计算当前误差并移动历史误差pid[i].de2     =  pid[i].de1;pid[i].de1     =  pid[i].de;pid[i].de       =  g_TargetSpeed[i] -
g_MotorSpeed[i];pid[i].fe  +=  pid[i].de;//pid[i]控制器核心方程pid[i].out =  PARAM_PID.kp * pid[i].de   + PARAM_PID.ki
* pid[i].fe     + PARAM_PID.kd
* ( pid[i].de - 2 * pid[i].de1          + pid[i].de2) * (pid[i].de < 100);//输出限制幅度pid[i].out = (pid[i].out >
MOTOR_OUTPUT_MAX) ? MOTOR_OUTPUT_MAX : pid[i].out;pid[i].out = (pid[i].out
<-MOTOR_OUTPUT_MAX) ?-MOTOR_OUTPUT_MAX : pid[i].out;//输出死区限制}//输出到电机控制setMotorPWM(pid[0].out,pid[1].out,pid[2].out,pid[3].out);//uint8_t str[50];//sprintf((char
*)str,"%d,%d,%d,%d\r\n",pid[0].out,pid[1].out,pid[2].out,pid[3].out);//USART_SendString(USART1,str);}//pid控制器执行周期分频器void
PID_Divider(void){static uint32_t div = 0;div++;if(div >= 100){div = 0;//更新当前速度updataSpeed();//上传速度信息sendUpMotorSpeed();//执行电机PID控制器MotorSpeedPidCtrl();}}

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