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1、控制系统及其实现技术,2007-2008嵌入式微处理器及智能车制作研讨课谈英姿,2023/10/7,智能车竞赛知识点,数字控制系统基本概况,单片机基本原理及其操作,道路检测,车速测量,调试电路,基础,高级,调试,后轮电机驱动,电机控制算法,车模机械调整,抗干扰与可靠性,赛道适应性,测控系统及其实现技术,2023/10/7,道路检测,需要获取中心线位置和前方路线弯曲程度光电管阵列CCD摄像头,2023/10/7,车速测量,获取智能车的车速旋转编码器E6A2-CS3C型，其精度达到车轮每旋转一周，旋转编码器产生360个脉冲。,2023/10/7,后轮电机驱动,MC33886电机驱动H-桥芯片作为电
2、机的驱动元件,2023/10/7,电机控制算法,系统通过MC9S12DG128输出的PWM信号来控制直流驱动电机 PID控制,2023/10/7,智能车控制系统结构图,2023/10/7,卫星姿态控制,计算机,卫星,助推器点火控制,采样开关,测量,姿态角,其余各轴的姿态角,天线驱动马达,天线,仰 角,其他各种参数方位角,天线方位控制伺服系统,2023/10/7,控制系统的基本要求,对反馈控制系统的基本要求有三项：稳定性、暂态(或动态)性能、稳态性能。,闭环系统稳定是前提,2023/10/7,暂态性能：平稳、振荡幅度小“稳”过渡过程的时间短“快”稳态性能：系统的稳态误差小“准”,闭环系统稳定是前
3、提,2023/10/7,PID 控制,2023/10/7,1,上升时间tr2,调整时间ts3,超调量%,快速性,平稳性,理想动态响应,动态品质指标,2023/10/7,PID控制,PID算法简介PID参数整定PID控制算式的发展,2023/10/7,PID算法简介,对象的开环控制一、比例（P）控制算法二、比例积分（PI）控制算法三、比例微分（PD）控制算法基本PID控制算法,2023/10/7,对象的开环控制,R(s)为阶跃响应稳定值为0.05稳态误差为0.95调整时间为1.5秒,G(s),R(s),Y(s),2023/10/7,一、比例（P）控制算法,比例（P）作用：,2023/10/7,K
4、p300上升时间和稳态误差都下降超调量增加,2023/10/7,二、比例积分（PI）控制算法,积分作用：消除稳态误差,只要有偏差，就要积分,2023/10/7,比例积分（PI）控制算法,积分控制器的阶跃响应特性：,定义：为“积分时间常数”，其含义是：在单位阶跃偏差输入条件下，每过一个积分时间常数时间，积分项产生一个比例作用的效果,G(s),R(s),Y(s),2023/10/7,三、比例微分（PD）控制算法,微分作用：超前控制作用,稳态偏差为0，控制量就为0，,G(s),R(s),Y(s),2023/10/7,比例微分（PD）控制算法,比例控制器的阶跃响应特性,在斜坡输入条件下，要达到同样的u
5、(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。,2023/10/7,2023/10/7,基本PID控制算法,P：,PID：,PI：,2023/10/7,Kp=350,Kd=50,Ki=300,2023/10/7,PID控制,比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，
6、使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。,2023/10/7,图4-1,阶跃响应特性曲线,2023/10/7,PI调节器的输出特性曲线,2023/10/7,PD调节器的阶跃响应曲线,2023/10/7,PID调节器对阶跃响应特性曲线,2023/10/7,数字PID算法,2023/10/7,位置式PID算法,2023/10/7,增量式PID算法,2023/10/7,增量式PID算法优点,增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有下列优点：（1）位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累
7、加值，因此，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。（2）控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。,2023/10/7,增量式PID算法与增量式PID算法的选择,在实际应用中，应根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在以闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置型算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法,2023/10/7,采样周期的选择,香农“采样定理
8、”基于如下两点假设：（1）原始信号是周期的；（2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。例如：,2023/10/7,采样周期的选择,在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。采样周期的选取要考虑以下几个因素：1.被控过程的动态特性；2.扰动特性；3.信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。,2023/10/7,采样周期的选择,流量控制中不同采样周期的比较：,2023/10/7,PID参数整定,PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参
9、数整定的方法有两大类：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。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。,2023/10/7,PID参数的工程整定方法,PID控制器参数的工程整定方法，主要有经验法、临界比例法、反应曲线法和衰减法。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
10、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。,实验凑试法,实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。（1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节 若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入
11、微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。,2023/10/7,衰减曲线法,这是一种在经验凑试法基础上经过反复实验而得出的一种参数整定方法可按过渡过程达到4:1递减曲线法整定控制参数，也可按过渡过程达到10:1递减曲线法整定控制参数记下达到4:1递减曲线时的比例度和第一个衰减周期，通过简单的计算求出衰减振荡时控制器的PID参数值。,2023/10/7,PID参数的工程整定方法,经验法简单可靠，能够适用于各种控制系统，特别是干扰频繁、记录曲线不大规则的控制系统。因为是靠经验来整定的，对同一过渡过程
12、曲线可能有不同的认识，从而得出不同的结论，整定质量不一定高。因此这种方法适用于现场经验比较丰富、技术水平比较高的人使用。临界比例度法简便而易掌握，过程曲线易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统。但对临界比例度小或者工艺生产约束条件严格，对过渡过程不允许出现等幅振荡的控制系统不适用。,2023/10/7,PID参数的工程整定方法,衰减曲线法的优点是方法较为准确可靠，而且安全，整定质量也较高。但当外界干扰作用强烈而频繁，或由于仪表、控制阀、工艺上的某种原因而使记录曲线不规则，或难以从曲线判别其递减比和衰减周期的控制系统不适用。响应曲线法是根据对象特性曲线来确定控制器的整
13、定参数的方法，因而在特性曲线测试准确的前提下，整定质量高。其不足之处是要测试响应曲线，以往传统的响应曲线测试过程比较麻烦，且测试的准确性也难以保证，因而使用得到一定的限制。,2023/10/7,PID控制算式的发展,带有死区的PID控制积分分离的PID控制不完全微分的PID控制微分先行的PID控制,2023/10/7,带有死区的PID控制,在微型机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制系统。死区的PID概念：是人为地设置一个不灵敏区域B，当偏差E(t)的绝对值B时，其控制输出乘以一个 小于1的因子K，使其输出小于正 常输出，弱化控
14、制。避免频繁动作所引起的振荡。,2023/10/7,带有死区的PID控制,2023/10/7,带有死区的PID控制,带死区的PID控制算式为式中K为死区增益，其数值可为：0、0.25、0.5、1等。在图中，死区B是一个可调的参数。其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。B值太小，使调节动作过于频繁，不能达到稳定被调对象的目的。如果B取得太大，则系统将产生很大的滞后。当B=0（或K=1）时，则为PID控制,2023/10/7,积分分离的PID控制,1、问题 积分项副作用 在一般的PID调节控制中，由于系统的执行机构线性范围受到限制，当偏差E较大时，如系统在开工、停工或大幅度升、降时，由于积分项的
15、作用，将会产生一个很大的超调量，使系统不停的振荡。这种现象 对于变化比较缓慢的对象，如温度、液面调节系统，其影响更为严重，而在一般模拟调节系统（电子调节仪）中也存在。2、解决方法 积分分离 思路：在控制量开始跟踪（随控制对象变化）时，取消积分作用，直至被调量接近给定值时，才产生积分作用。,2023/10/7,积分分离的PID控制,设给定值为R（k），经数字滤波后的测量值为M（k），最大允许偏差值为A，则积分分离控制的算式为,2023/10/7,积分分离的PID控制,2023/10/7,积分分离的PID控制,2023/10/7,不完全微分的PID控制,1、问题-微分项的副作用 微分项的引入，主要
16、是提高系统的响应速度，但也有副作用。当阶跃信号输入时，微分项输出急剧增加，容易引起超调和输出振荡，导致调节品质下降。2、解决方法-PID不完全微分 为了解决这一问题，同时要保证微分作用有效，可以参照模拟调节器的方法，采用不完全微分的PID算式，其传递函数表达式为：,不完全微分的PID控制,在标准的PID算法中，加入一个一阶惯性环节，也可以组成不完全微分的数字控制器.在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图所示。,2023/10/7,控制系统,2023/10/7,单极性受限PWM驱动,电机在一个PWM周期中的电流是同方向的，驱动电机的功率大小取决于电流的持续时间，这种方式在PWM值较小时断流的时间就较长，电机运行就不稳定，也就是低速性能不好，但是由于没有反向电流消耗，所以耗电少。,2023/10/7,双极性可逆PWM驱动,电机在一个PWM周期中通过相反的电流，正转、停止、反转取决于两个方向电流的持续时间，如果相等则为停止。这个方式的好处是低速稳定，启动快，但是耗电大。,2023/10/7,验收说明,时间：2008年3月2日上午（要预约）以小组为单位，允许重新组合实验考核：电机控制速度算法熟练掌握CodeWarrior 编程环境；了解PID的参数整定方法。提交设计报告包括：路径检测方法；驱动电路选择；速度检测方案和电机控制算法,
