機器人云臺控制中的PID技術應用

常周林

（廣東科技學院 機電工程系 廣東 東莞 523083）

機器人云臺控制中的PID技術應用

常周林

（廣東科技學院 機電工程系 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)點就是簡單高效，很多高級的控制算法也都是在PID的基礎上進行優(yōu)化和演變而來。在比賽機器人控制系統(tǒng)中，PID 被應用在很多場景下的運動狀態(tài)控制。運用PID技術控制機器或是機器人，系統(tǒng)可以通過MATLAB仿真驗證PID的控制效果。

機器人；云臺控制；PID實現(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、冰箱和電磁爐等，這些電器都能夠將自己的工作環(huán)境穩(wěn)定在某一個溫度。我們設置空調為26℃，它就能將室內溫度保持在26℃左右而不會是16℃；設置電磁爐為180℃，它也不會燒到280℃。這背后其實隱藏的，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。

2 機器人云臺控制原理

在RoboMaster比賽中，為了讓機器人的槍口可以在一定角度內自由調整，同時為了保證在不平坦的場地運行時，發(fā)射機構能盡量穩(wěn)定，就會在機器人的底盤上加裝一套云臺。賽場上的云臺大多數(shù)是由無刷電機驅動的。通過改變電機的電流大小，可以調整電機運行的速度；通過改變電機的電流正負，可以調整電機的轉動方向。同時，電機內部還有傳感器在記錄電機的轉動位置，再加上一定的算法處理，就可以知道云臺應該擺在哪個方向，也就是實際角度值。知道了實際角度，機器人身上的控制器（主控）再發(fā)送電流值給云臺電機，云臺就可以接近完美地擺到目標角度。

如果給云臺電機發(fā)送很大的電流值，云臺就可以快速往指定的方向運行，但這樣很容易剎不住車，超過預期的目標位置；如果發(fā)送的電流太小，又會導致云臺行動慢吞吞，跟不上大能量機關的數(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)距離目標值的遠近來調節(jié)云臺的速度，離得遠就轉快一些，離得近就慢一些。這樣就需要我們實時獲取云臺當前的實際角度，然后和目標角度做對比，根據(jù)差值來動態(tài)地調整云臺的速度和方向。只根據(jù)上述的參數(shù)來調節(jié)還不足以達到云臺控制的理想性能，為了讓云臺實現(xiàn)快速響應、減小誤差、消除擾動，在實際控制過程中我們需要使用PID控制器。

云臺運動一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制原理如圖1所示。主控獲得云臺電機的實時位置和目標位置后，告訴云臺電機應該怎么走。云臺的實際坐標被陀螺儀/編碼器（檢測裝置）記錄下來實時發(fā)送給控制器（主控），控制器獲知目標坐標后，通過計算得出目標電流值發(fā)送給云臺電機，云臺電機就運動一定角度。電機運動云臺實際坐標會改變，主控就知道接下來還差多少角度，再計算發(fā)送電流值，如此循環(huán)。

圖1 閉環(huán)PID控制系統(tǒng)原理圖

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

{

本次誤差=目標值-實際值

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）/*由于軟件實現(xiàn)是個離散的，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 時控制系統(tǒng)仿真波形圖

通過調節(jié)oKpo我們可以改變系統(tǒng)的響應速度及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，隨著oKpo的增大，系統(tǒng)相應速度加快，靜態(tài)誤差也逐漸減小。聽起來似乎oKpo是越大越好，其實不然，Kpo的增大時系統(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過小時消除穩(wěn)態(tài)誤差所需時間較長，而oKi過大時則會引起系統(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調節(jié)不當時甚至會造成系統(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，但是oKdo過大時在系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后會放大噪聲，減小系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結語

由于PID結構簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點，是迄今為止自動控制中應用最為廣泛的控制方法。從近在身邊的空調溫度調節(jié)，到遠在太空的宇宙飛船，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用的算法。

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

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TP242 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0061-03