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1、1,PID控制技术 主要介绍PID调节器的优点、原理、数字实现，PID参数的整定,PID的程序实现以及PID的应用等。,2,1 模拟PID控制,将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。,3,1.1 模拟PID控制原理,在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。为了说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图11所示是一个小功率直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比较，其差值经过PID控制器调整后输出电压控制信号，经过功率放大后，驱动直流电动
2、机改变其转速。,4,常规的模拟PID控制系统原理,5,1、 比例部分,在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。,6,2、 积分部分,从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统
3、的偏差。 积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。,TI积分时间常数,7,3、 微分部分,实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋
4、势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。 微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。,8,2 数字PID控制,由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。对PID控制规律进行适当的变换
5、，就可以用软件实现PID控制，即数字PID控制。,数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。,9,2.1 位置式PID算法,由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。使得表达式中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。 离散化处理的方法为：以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t ，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：,10,上式中，为了表示的方便，将e (kT) 类似于简化成ek等。得到离散的PID表达式为,11,如果采
6、样周期足够小，近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与 连续过程十分接近。它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置 式PID控制算法,12,这种算法的缺点是： 由于全量输出，所以每次输出均与过去状态ek有关，计算时要对进行累加，工作量大； 并且因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。,13,2.2 增量式PID算法,所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量uk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算
7、法进行控制。,14,如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以求出控制量。,增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。 而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： 就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。,15,2.3 控制器参数整定,控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。 整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。 整定调节器参数的方法很多
8、，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等； 工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。,16,2.3.1 凑试法,按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。 置调节器积分时间Ti=，微分时间Td=0，在比例系数Kp按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数Kp 。求得满意的过渡过程曲线。 引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp设置为5/6 Kp ）。将Ti由大到小进行整定。 若需
9、引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=（1/31/4）设置，并由小到大加入。,17,2.3.2 临界比例法,在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。 此时的比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。,18,19,2.3.3 经验法,用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。 临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选
10、为纯比例控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数、临界振荡周期为Tu，根据ZN提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数，如表21所示,20,这种临界比例法使针对模拟PID控制器，对于数字PID控制器，只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。 在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。,21,2.3.4 采样周期的选择,香农（Shannon）采样定律 ：为不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。实际采
11、样周期的选择还要受到多方面因素的影响，不同的系统采样周期应根据具体情况来选择。 采样周期的选择，通常按照过程特性与干扰大小适当来选取采样周期：即对于响应快、（如流量、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后大时，可选取较长的采样周期。 采样周期的选取应与PID参数的整定进行综合考虑，采样周期应远小于过程的扰动信号的周期，在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失去意义，因此可适当选大一点；在计算机运算速度允许的条件下，采样周期短，则控制品质好；当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的1/41/8。,22,2.4 参数调整规
12、则的探索,23,PID计算子函数:,24,25,26,响应曲线,1、 Speed1_Kp10，即Kp0.01。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线,27,2、 Speed1_Kp105，即Kp0.105。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线,28,3、 Speed1_Kp180，即Kp0.180。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线,29,4、 Speed1_Kp250，即Kp0.250。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线,30,31,32,33,34,35,36,37,通过对上述器件的同等条件测试下，得到如上表所示规律。由于赛道条件，最近距离1.5m,最远处
13、有3m,小汽车灯泡作为光源，发出的光线中有比较多的红外线成分，利用光敏二极管的较宽检测范围，红外接收管较强的方向性和抗干扰能力，选择光敏二极管和红外接收管两者优点相结合的方式是最佳选择,38,39,此方案中由光敏元件需要选取检测范围较大的光敏二极管，光线从侧面照射到感光面时亦有较高的感应电压，前方检测距离也不错。 通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动炮塔的光源检测方案有诸多优点： 单片机端口资源利用少，无需多路AD 口采集数据，只提取两路AD 信号；电机控制方法简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位；控制精确，微量的入射光线量都会引起电机旋转，调节到中心位置。 但该方案也有
14、许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，旋转角度无法程序有 效控制，对于固定角度旋转比较困难；只用两路传感器使得检测范围有局限，当光源从背后入射时检测很困难；无法通过软件方式使炮塔炮击后准确复位。,40,41,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 将电路处理后的信号送入单片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确
15、旋转一定角度，使得炮塔旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，当利用其他多路AD 信号采集处理，将光源大致方位确定后，利用另外两路相近传感器进行微调使得光源定位精确，稳定，可靠。,42,43,（5) 外界环境干扰及其消除光敏电阻和光敏二极管极易受外 界环境光线影响，白天和晚上测试效果差异很大，为此 专门在传感器周围加上热缩管作为遮光套管，长短合适的 遮光管能有效地抑制环境光的干扰。,44,、方案确定 基于以上方案的优缺点比较，本设计采用MSP430 对步进电机进行控制方案，带动炮塔，实行光源的精确定位。传感器布局和制作采用遮光处理型（见上表2) 。
16、、方案论证、 以上几种方案和布局的实验和探讨验证，步进电机结合遮光处理型传感器布局，能够实现坦克车炮击快速，精确定位，达到题目设计要求，切实可行。,45,46,47,48,49,50,51,传感器在不同环境和不同距离是感应出来的值有很大差异，当用外接比较器比较信号电压时，需要给定参考电压VRef,常用方法是用精密滑动变阻器调节到一个固定的参考电压值，以便比较器输出电压为单片机易于采集的逻辑电平直接送入IO 口。 如上图9 所示，若采用加法器电路，将两路需要平衡的比较电压V1 ，V2 送入加法器相加后将所得电压（V1+V2)/2 降压处理（以便后级两路比较器可以同时输出高电平，并据此判断打靶正中靶心），所得电压作为参考电压。通过这种模拟电路运算后的比较电路适应性高，应对不同环境光线影响，参考电源随时自我调整，适应性强，打靶精度相当高,52,入射光线处于两红外对管的前方时，当激光炮偏离靶心时，遮光挡板相应偏离靶心，两红外对管由于遮光板遮挡了部分光线而产生不同的信号电压，进而输入比较电路比较输出，因而微小的偏移就会引起炮塔的自动调整，十分灵活，更为精确
