移動機(jī)器人無線實(shí)時反饋控制系統(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，也稱為被控對象的控制輸入;ε(t)為偏差; Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(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)算時間，使實(shí)時控制成為可能。
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個增量信號時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原來位置上移動某一定位置，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)被控對象的控制輸入增量為Δu(k)，即:
本文引用地址：http://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)為絕對數(shù)值。所以本文采用位置式PID算法[5]。
對于PID 3個參數(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，一般來說，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。增大積分時間常數(shù)Ti，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時也加大了系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的調(diào)節(jié)時間。微分控制作用，將改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
在整個反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,還有一個重要問題就是系統(tǒng)的采樣時間T，本系統(tǒng)的采樣時間不能設(shè)置得太短。由于機(jī)器人的測速是由光電編碼器來完成，而實(shí)驗(yàn)中用到的碼盤條紋只有66等份，時間太短，測速不準(zhǔn)確，同時因微分作用加強(qiáng)，使得速度值抖動很大。此外，機(jī)器人本身存在非線性特性，這樣就必須選擇一個合適的采樣時間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采樣時間≥0.5 s時，機(jī)器人反饋回來的速度較平穩(wěn)，抖動明顯減小。整個反饋控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。
4 仿真結(jié)果分析
通過調(diào)節(jié)PID的3個參數(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，通過測得實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真圖如圖5所示。
本文提出的PC機(jī)對機(jī)器人的無線實(shí)時反饋控制，在20 m以內(nèi)的距離都可以實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時性良好。對每一個采樣時間內(nèi)反饋回來的數(shù)據(jù)PC機(jī)都能及時處理，并把它送回給機(jī)器人，這樣機(jī)器人實(shí)時地接收數(shù)據(jù)、實(shí)時地接收PID校正后的運(yùn)動狀態(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。
pid控制器相關(guān)文章:pid控制器原理
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