مؤازرة ضبط PID: وداعًا للارتعاش، وتثبيت الروبوت في ثلاث خطوات

هل سبق لك أن واجهت موقفًا حيث يظل ذراع الروبوت الذي صنعته بعناية يهتز عندما يمسك بشيء ما، مثل مريض باركنسون؟ أو ربما تمايلت الطائرة بدون طيار التي صنعتها يمينًا ويسارًا في مهب الريح، وكانت الصورة ضبابية كما لو كنت تصور فيلمًا عن الكوارث؟

وخلف ذلك غالبًا ما يكون "عقل" جهاز التوجيه، وهناك مشكلة في برنامج التحكم الخاص به. علاوة على ذلك، لم يتم تعديل الخوارزمية الأساسية التي تتحكم في قوة ودقة جهاز التوجيه، وهي تعديل PID، بشكل صحيح. لا تخف من هذه الحروف الثلاثة. إنه ليس سحرًا غير مفهوم، ولكنه "تقنية توازن" دقيقة للغاية. اليوم سوف نأخذ الأكثر استخدامامضاعفاتكمثال لتحليل سر تعديل PID بدقة، بحيث يمكن للروبوت الخاص بك أن يتغير من "الارتعاش" إلى "السلس".

نصائح لكتابة المقال: المعامل التناسبي

نحن بحاجة إلى فهم كيفية عمل جهاز التوجيه. أنت تعطيه تعليمات، أي "التحول إلى وضع 90 درجة"؛ سوف يدور المحرك بداخله بجنون، وبالتالي يقود مجموعة التروس وعمود الإخراج؛ وفي الوقت نفسه، سيكتشف مستشعر يسمى "مقياس الجهد" دائمًا الزاوية الفعلية للعمود؛ عندما تكون الزاوية الفعلية ثابتة وعندما لا تصل إلى 90 درجة، ستدفع وحدة التحكم المحرك إلى العمل للأمام بأقصى طاقة خرج تبلغ بضع وحدات في الثانية؛ بمجرد أن يتجاوز موضع الهدف، يجب أن يتراجع مرة أخرى؛ بدون آلية تعديل رائعة، سوف يقفز بشكل متكرر ذهابًا وإيابًا في المنطقة القريبة من موضع الهدف. هذه هي ظاهرة "الارتعاش" التي نراها.

يعد التحكم PID مهارة غير عادية للتعامل مع مشكلة "القفز الأفقي المتكرر". P وI وD هي اختصارات التناسب والتكامل والتفاضل على التوالي. الثلاثة منهم يشبهون مجموعة من الخبراء، يعملون معًا لإرسال أمر "إشارة PWM" لإخبار جهاز التوجيه بمقدار القوة التي يجب استخدامها وفي أي اتجاه يجب الدوران.

دعونا أولاً نلقي نظرة على العضو الأكثر أهمية في الفريق، وهو المعامل التناسبي، والذي يشار إليه اختصارًا بـ P. يتميز العمل الذي يتم تنفيذه بالخصائص الأكثر بساطة ومباشرة وخامًا: الحكم على قوة المخرجات بناءً على الخطأ الحالي. إذن ما يسمى خطأ؟ الخطأ المزعوم هو الفرق الذي يتم الحصول عليه عن طريق طرح "زاوية الهدف" من "الزاوية الحالية". لنفترض أنك تخطط للتحول إلى 90 درجة، وأنت عند 0 درجة في الوقت الحالي، فإن الخطأ هو 90 درجة. وظيفة P هي: الناتج يساوي الخطأ مضروبًا في المعامل التناسبي. كلما زاد المعامل، كلما زاد الناتج.

على سبيل المثال، يجب أن يكون الروبوت الخاص بك قادرًا على رفع ساقه برشاقة. إذا تم ضبط قيمة P على قيمة صغيرة جدًا، فسيكون الأمر مثل استخدام معكرونة ناعمة لنزع الحجر. الأمر الذي تلقاهمضاعفاتهو "الرفع ببطء وبلطف". ونتيجة لذلك، لا يمكن رفع الساق على الإطلاق، أو تكون الحركة بطيئة مثل الكسلان. إذا تم تعيين قيمة P على أنها كبيرة جدًا، فسيكون الأمر مثل مطالبتك باستخدام كل قوتك لمحاربة بعوضة هبطت على ذراعك - فالقوة كبيرة للغاية. عندمامضاعفاتيقترب من 90 درجة تقريبًا، ولا يزال يندفع بسرعة جنونية، ويصل إلى الحد الأعلى بقوة، ثم يرتد للخلف، ويندفع مرة أخرى، مسببًا اهتزازًا عنيفًا. مع معامل تناسبي مناسب، يمكن للمؤازرة استخدام 80% من قوتها للانطلاق بسرعة نحو الهدف وإبطاء سرعته عند الاقتراب.

س/ج: ماذا سيحدث للمؤازرة عندما يكون معامل التناسب كبيرًا جدًا؟

ج: يهتز بعنف أو يصدر أصواتًا حادة، وتؤدي القوة الزائدة إلى تأرجحه ذهابًا وإيابًا في موضع الهدف. في الحالات الشديدة، قد يتعرض العتاد للتلف.

لذلك، فإن الخطوة الأولى لضبط PID هي القتال بمفردك وضبط P فقط. اضبط كلاً من I و D على 0. قم بزيادة قيمة P تدريجيًا من الصغيرة إلى الكبيرة، وفي نفس الوقت انتبه إلى ردود فعل جهاز التوجيه. ستشهد عملية تطور واضحة: عندما تكون P صغيرة للغاية، تكون الحركة بطيئة، ودائمًا ما تكون أقل بدرجات قليلة من الوصول إلى الهدف (وهذا ما يسمى "الفرق الثابت")؛ ومع زيادة P، تصبح الحركة أسرع، ولكن سيكون هناك اهتزاز ضعيف بالقرب من نقطة الهدف؛ ومع زيادة P، تشتد قوة الاهتزاز، وتتطور إلى تذبذبات عنيفة. عادة ما تظهر النقطة الجيدة قبل القيمة الحرجة مباشرة حيث بدأ الاهتزاز للتو في الاهتزاز قليلاً ولكنه لم يخرج عن نطاق السيطرة بعد. تذكر هذا الشعور، فهو حجر الزاوية في كل عمليات تصحيح الأخطاء اللاحقة.

كلمات سريعة لكتابة المقال: عناصر متكاملة

ومع ذلك، مع P وحده، سوف تواجه عنق الزجاجة بسرعة. على سبيل المثال، إذا كان الروبوت الخاص بك يحمل شيئًا ثقيلًا، فيجب إبقاء المؤازرة عند 90 درجة دون ارتخائها. بسبب سحب الجاذبية، سيتم إنشاء خطأ مستمر. يُظهر التحكم P مثل هذه الخصائص: كلما زاد الخطأ، زاد الجهد المطلوب. ومع ذلك، من أجل مواجهة هذه الجاذبية، هناك حاجة إلى "قوة تصحيحية" مستمرة. ولكن عندما يكون الخطأ صغيرًا للغاية، تكون القوة المعطاة أيضًا صغيرة جدًا، مما يؤدي إلى عدم قدرة المؤازرة على الوصول بدقة إلى 90 درجة، وقد يبقى عند موضع 89.5 درجة. هذا هو "الخطأ الثابت" المذكور سابقًا.

في هذا الوقت، جاء دور الخبير الثاني للفريق، عنصر النقاط، المشار إليه بـ I، ليظهر لأول مرة. إن دور "أنا" هو بمثابة محاسب يتمتع بذاكرة جيدة للغاية. مهمتها هي إضافة كل الأخطاء الماضية. وطالما استمر الخطأ، سيستمر هذا المبلغ التراكمي في الزيادة. بعد ذلك، سيتم أيضًا ضرب "دفتر الأستاذ العام" هذا بمعامل وإضافته إلى أمر الإخراج النهائي.

هذه الآلية مذهلة بكل بساطة! عندما يصل جهاز التوجيه إلى 89.5 درجة بسبب الجاذبية، يحدث خطأ بسيط قدره 0.5 درجة. في هذا الوقت، قد تنتج P فقط قوة ضعيفة لهذا الغرض، والتي يصعب مقاومة الجاذبية. ومع ذلك، سأتذكر خطأ 0.5 درجة. بعد ثانية واحدة، سوف تتراكم 0.5 درجة وتصبح 1. درجة، وبعد ثانيتين تصبح 1.5 درجة، وما إلى ذلك. وتستمر القيمة المتراكمة في الزيادة، كما يستمر ناتج القوة الإضافية في الزيادة. في النهاية، هذا "الدفع الإضافي" الموجود دائمًا سيتغلب بدقة على تأثير الجاذبية، مما يدفع المؤازرة بالقوة إلى 90 درجة دقيقة ويقفلها عند هذه الزاوية.

س/ج: ما هي المشاكل التي يمكن أن يحلها المصطلح التكاملي؟

ج: إزالة الأخطاء الثابتة. إنه يوفر قوة مستمرة من خلال تراكم الانحرافات الصغيرة، مما يسمح لجهاز التوجيه بمقاومة التداخل الخارجي والوصول في النهاية إلى الموضع الدقيق.

ومع ذلك، فأنا أيضًا شخصية خطيرة. إذا تم تعيين قيمة I كبيرة جدًا، أو كان هناك خطأ أولي في النظام، كما هو الحال عندما لا تكون عند 0 بمجرد تشغيله، فسوف يتوسع المجموع المتراكم بسرعة، مما يتسبب في قيام المؤازرة بإخراج قوة "تصحيح زائد" ضخمة، مما يتسبب في تجاوز شديد وتذبذب عنيف طويل المدى، وهو ما يسمى "التشبع الكامل". الموقف الأكثر شيوعًا هو أن ذراعك الآلية عالقة في شيء ما، والخطأ موجود دائمًا، وسوف أتراكم كالمجنون. عندما تختفي العقبة فجأة، سيتم إطلاق هذه القوة التراكمية الضخمة على الفور، مما يتسبب في طيران المؤازرة كما لو تم إخراجها، وهو أمر خطير للغاية.

نصائح لكتابة المقال: المصطلحات التفاضلية

في هذه اللحظة، يستجيب مؤازرنا فورًا عند تشغيل P، وبمساعدة I، يتم تحديد موضعه بدقة، وهو ما يبدو جيدًا جدًا. ومع ذلك، فمن المحتمل جدًا أنها ستظل غير كافية عندما تواجه سيناريوهات معينة سريعة التغير. تخيل أن طائرتك بدون طيار تحوم وسط رياح قوية، أو أن روبوت السباق الخاص بك يحتاج إلى التوقف في حالات الطوارئ والانعطاف في لحظة. في هذا الوقت، بدت استجابات P وأنا "بطيئة" بعض الشيء. وذلك لأنه تم تعديلها "بعد ذلك". ما نحتاجه هو القدرة على التنبؤ.

هذا هو مركز التفكير في الفريق، ويسمى بالمصطلح التفاضلي، أو D للاختصار. دور D مثل النبي. لا يهم حجم الخطأ الحالي، ولا عدد الأخطاء التي تراكمت في الماضي. إنه يهتم بشيء واحد فقط: مدى سرعة تغير الخطأ. وسوف يحسب معدل تغير الخطأ، وبعبارة أخرى، "ميل الخطأ". ، إذا كان الخطأ يتوسع بسرعة، مثل انحراف جهاز التوجيه بسرعة عن الهدف، فسوف ينتج D قوة عكسية ضخمة، مثل فرامل الطوارئ، لإيقاف هذا الموقف. إذا كان الخطأ يتقلص بسرعة كبيرة جدًا، أي أن المؤازرة تتحرك نحو الهدف بسرعة عالية، فسيقوم D أيضًا بإخراج قوة في الاتجاه المعاكس و"الضغط على الفرامل" مسبقًا لمنعه من تجاوز الهدف.

دعونا نستخدم استعارة ذكية. أنت تقود السيارة لمقابلة صديق. يشير P إلى أنك تتحكم في دواسة الوقود، وكلما ذهبت أبعد، كلما ضغطت عليه بشكل أعمق. عندما تنتظر الضوء الأحمر، قم بتحريك السيارة ببطء للأمام لإلغاء المسافة من خط التوقف. هذا نوع من العملية. سلوك في مرحلة الانتظار؛ وD، عندما ترى ضوءًا أحمر أمامك، حرر دواسة الوقود واستخدم الفرامل برفق. هذا هو سلوك التشغيل. ويجب أن يكون واضحًا أن الهدف ليس تصحيح الأخطاء التي حدثت بالفعل، بل منع حدوث الأخطاء.

في مجال التحكم في جهاز التوجيه، يعد دور D بالغ الأهمية. يمكن أن يمنع بشكل كبير "التجاوز" و"التذبذب" الناتج عن P المفرط أو التأثير الخارجي. على سبيل المثال، هناك ذراع آلية تحتاج إلى التحرك بسرعة من نقطة إلى نقطة. إذا لم يكن هناك D، فقد يكون الأمر مثل السكير، الذي يضرب نقطة الهدف بـ "رنين" ثم يرتد بعيدًا؛ ولكن عند إضافة حرف D مناسب، فإنه يمكن أن يتباطأ بطريقة أنيقة عندما يكون على وشك الاقتراب من نقطة الهدف، ويسقط بلطف مثل الريشة.

س/ج: ما هي الوظيفة الرئيسية للمصطلح التفاضلي؟

ج: منع التجاوز والتذبذب. فهو يتنبأ باتجاه الخطأ والفرامل مقدمًا، مما يمنح جهاز التوجيه "إمكانية التنبؤ" ويجعل العمل أكثر سلاسة.

حتى الآن، فريق الخبراء PID مكتمل. P يحمل قوة "الحاضر"، وأنا أتحكم في حسابات "الماضي"، وD يتحكم في اتجاه "المستقبل". الثلاثة منهم يستخدمون خدمات عالية الأداء مثلkpowerServo وبرنامج التصحيح المصاحب لتمكينك من ضبط كل معلمة بدقة شديدة مثل الموالف.

وبطبيعة الحال، ما تحصل عليه من الورق في نهاية المطاف لا يبدو عميقا بما فيه الكفاية. غالبًا ما يتم تنفيذ عملية التصحيح الفعلية وفقًا لعملية كلاسيكية. ونحن نسمي هذه العملية "طريقة التثبيت المكونة من ثلاث خطوات".

الخطوة 1: اضبط I وD على الصفر. بدءًا من 0، قم بزيادة قيمة P ببطء حتى يبدأ المؤازرة في إنتاج اهتزازات طفيفة ومستمرة ذات سعة متساوية. تذكر قيمة P هذه، ثم قم بتخفيضها إلى النصف، واستخدم هذه القيمة المقسمة إلى النصف كقيمة P الأولية. تعد "قيمة الاهتزاز P" هذه سمة أساسية لنظامك.

في الخطوة الثانية، حافظ على قيمة P للخطوة الأولى، وقم بزيادة قيمة I ببطء من 0، وقم بزيادة I حتى يزيل المؤازرة الفرق الثابت ويمكنه العودة إلى موضعه الأصلي بسرعة ودون اهتزاز بعد إزعاجه بواسطة قوى خارجية (مثل تدوير ذراع المؤازرة بإصبعك). إذا كان هناك اهتزاز كبير، فهذا يعني أنني كبير جدًا، قلل منه.

س/ج: ما هو التسلسل الصحيح لتصحيح أخطاء PID؟

ج: قم أولاً بضبط P على التذبذب الحرج ثم قم بتقليله بمقدار النصف، ثم اضبط I لإزالة الفرق الثابت، وأخيرًا اضبط D لقمع الهزات الارتدادية، وتحسين خطوة بخطوة بترتيب PID.

في ثلاث خطوات، أولاً وقبل كل شيء، في الخطوة الأولى، تمكنا أنا وP من جعل المؤازرة الخاصة بك تصل إلى الموضع المقابل بسرعة ودقة. ومع ذلك، قد لا يزال هناك بعض "الإيماءات" أو "التوابع" الطفيفة. ثم في الخطوة الثانية، في هذا الوقت، قم بزيادة قيمة D من 0، وبعد ذلك ستجد، مع زيادة D، سيختفي الاهتزاز الصغير النهائي بسرعة كبيرة، ويصبح الإجراء بأكمله واضحًا ونظيفًا للغاية. وأخيرا، في الخطوة الثالثة، كن حذرا. إذا كانت قيمة D كبيرة جدًا، فستصبح استجابة المؤازرة بطيئة، بل إنها ستصدر صرخة عالية التردد، وتنتهي.

سأشارككم نقطة أساسية يفهمها ضمنيًا الأفضل في جميع المجالات تقريبًا. وهذا يعني أن PID المثالي ليس مجموعة من الأرقام الثابتة والسريعة، ولكنه طريقة فنية لتحقيق التوازن. لا توجد "مقاس واحد يناسب الجميع" ينطبق على جميع المواقف. يجب عليك إجراء تعديلات ديناميكية بناءً على حمل المؤازرة، ومتطلبات سرعة الاستجابة، وحتى التغيرات في درجة حرارة البيئة. وبقدر ما يتعلق الأمر بالمشاريع التي ينفذها الطلاب، فإن متابعة "الوظائف المُرضية والحفاظ على الاستقرار" أكثر أهمية من متابعة "الحالة المثالية التي تحددها النظرية البحتة". إن الروبوت الذي يتحرك إلى ما هو أبعد قليلاً من نطاق التعديل المتوقع ولكن لا يتعطل أبدًا يكون أكثر فعالية بكثير من الروبوت الدقيق من الناحية النظرية ولكنه غالبًا ما يهتز بعنف.

اقتراحات للعمل :

في هذه اللحظة، يرجى التقاط الروبوت الخاص بك على الفور وبدء تشغيل برنامج تصحيح الأخطاء المؤازر الخاص بك. بدءًا من القيمة P، استخدم ما نسميه "طريقة الخطوات الثلاث" لتجربة التغييرات في كل معلمة بشكل شخصي. استخدم هاتفك المحمول أولاً لتسجيل حالة الارتعاش الحالية باستخدام فيديو بطيء الحركة، ثم قم بتدوين قيم P/I/D التي قمت بضبطها في كل جولة والتأثيرات المقابلة. صدقني، عندما تقوم شخصيًا بضبط الروبوت في حالة "الصرع" ليكون سلسًا وطبيعيًا، ستشعر بإحساس كبير بالإنجاز لا يمكن لأي كود جاهز أن يمنحك إياه. من اليوم فصاعدًا، قل وداعًا للارتعاش ودع مؤازرك يفهم حقًا كل أوامرك.