移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制算法的控制規(guī)律可以寫成如下的形式：
式中,u(t)為PID控制器的輸出，也稱為被控對(duì)象的控制輸入;ε(t)為偏差; Kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。為了在數(shù)字控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)PID控制，需將連續(xù)PID控制規(guī)律化成離散型的PID控制規(guī)律，即用差分方程表示。為此，取T0為采樣周期。由于采樣周期遠(yuǎn)小于信號(hào)變化的周期，可以用矩陣面積求和的方法近似式(1)中的積分作用，用向后差分的方法近似微分作用，則式(1)可以化為:
式(4)稱為PID控制器遞推公式。應(yīng)用(4)式計(jì)算采樣時(shí)刻k的控制器輸出u(k)，可以極大地節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間和計(jì)算時(shí)間，使實(shí)時(shí)控制成為可能。
許多控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身具有記憶功能，例如步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，具有保持歷史位置的功能，當(dāng)控制器給出1個(gè)增量信號(hào)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原來(lái)位置上移動(dòng)某一定位置，達(dá)到新的平衡位置。在這種情況下，需要采用增量型PID控制算法。設(shè)被控對(duì)象的控制輸入增量為Δu(k)，即:
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/163152.htm式(5)稱為增量型PID控制算法。
增量型PID與位置PID控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計(jì)算方法上有所變化。增量式算法一般用于步進(jìn)電機(jī)之類的對(duì)象，但由于本文所用到的機(jī)器人的電機(jī)為非步進(jìn)電機(jī)，它所輸入的控制量應(yīng)為絕對(duì)數(shù)值。所以本文采用位置式PID算法[5]。
對(duì)于PID 3個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)有各種不同方法，在本實(shí)驗(yàn)中主要是試湊法。試湊法也要遵循一定的規(guī)律，一般來(lái)說(shuō)，增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分時(shí)間常數(shù)Ti，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時(shí)也加大了系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的調(diào)節(jié)時(shí)間。微分控制作用，將改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
在整個(gè)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,還有一個(gè)重要問(wèn)題就是系統(tǒng)的采樣時(shí)間T，本系統(tǒng)的采樣時(shí)間不能設(shè)置得太短。由于機(jī)器人的測(cè)速是由光電編碼器來(lái)完成，而實(shí)驗(yàn)中用到的碼盤條紋只有66等份，時(shí)間太短，測(cè)速不準(zhǔn)確，同時(shí)因微分作用加強(qiáng)，使得速度值抖動(dòng)很大。此外，機(jī)器人本身存在非線性特性，這樣就必須選擇一個(gè)合適的采樣時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采樣時(shí)間≥0.5 s時(shí)，機(jī)器人反饋回來(lái)的速度較平穩(wěn)，抖動(dòng)明顯減小。整個(gè)反饋控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。
4 仿真結(jié)果分析
通過(guò)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)，記錄下機(jī)器人每次輸出的速度值，然后再用MATLAB進(jìn)行仿真，通過(guò)測(cè)得實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真圖如圖5所示。
本文提出的PC機(jī)對(duì)機(jī)器人的無(wú)線實(shí)時(shí)反饋控制，在20 m以內(nèi)的距離都可以實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)性良好。對(duì)每一個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)PC機(jī)都能及時(shí)處理，并把它送回給機(jī)器人，這樣機(jī)器人實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)地接收PID校正后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此機(jī)器人就可以按事先設(shè)定好的狀態(tài)行走，從而達(dá)到了控制的目的。
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評(píng)論