Servo de ajuste PID: diga adeus ao jitter, estabilize o robô em três etapas

Você já se deparou com uma situação em que o braço do robô que você construiu cuidadosamente continua tremendo ao agarrar algo, como um paciente de Parkinson? Ou talvez o gimbal do drone que você construiu balançou para a esquerda e para a direita com o vento, e a imagem ficou borrada como se você estivesse filmando um filme-catástrofe?

Por trás disso, muitas vezes está o “cérebro” da caixa de direção e há um problema com seu programa de controle. Além disso, o algoritmo central que controla a força e a precisão do aparelho de direção, nomeadamente o ajuste PID, não foi ajustado adequadamente. Não se assuste com essas três letras. Não é uma magia incompreensível, mas uma “técnica de equilíbrio” extremamente delicada. Hoje, pegaremos os mais comumente usadosservocomo exemplo para analisar minuciosamente o segredo do ajuste do PID, para que seu robô possa mudar de "espasmo" para "suave".

Dicas para escrever artigos: coeficiente proporcional

Precisamos entender como funciona o mecanismo de direção. Você dá uma instrução, ou seja, “virar para a posição de 90 graus”; o motor dentro dele girará loucamente, acionando assim o conjunto de engrenagens e o eixo de saída; ao mesmo tempo, um sensor denominado "potenciômetro" sempre detectará o ângulo real do eixo; quando o ângulo real ainda é Quando não atingiu 90 graus, o controlador solicitará que o motor opere para frente com uma potência de saída máxima de algumas unidades por segundo; uma vez ultrapassada a posição alvo, deve reverter; sem um mecanismo de ajuste requintado, ele saltará repetidamente para frente e para trás na área próxima à posição alvo. Este é o fenômeno de “jitter” que vemos.

O controle PID é uma habilidade extraordinária para lidar com esse problema de “salto horizontal repetido”. P, I e D são as abreviaturas de proporção, integral e diferencial, respectivamente. Os três são como um grupo de especialistas, trabalhando juntos para enviar o comando “sinal PWM” para informar ao mecanismo de direção quanta força usar e em que direção virar.

Vamos primeiro dar uma olhada no membro mais crítico e importante da equipe, que é o coeficiente proporcional, abreviadamente chamado de P. O trabalho que realiza tem as características mais simples, diretas e rudimentares: julgar a força da saída com base no erro atual. Então, o que é chamado de erro? O chamado erro é a diferença obtida subtraindo o “ângulo alvo” do “ângulo atual”. Suponha que você planeje girar 90 graus e esteja em 0 graus no momento, então o erro é de 90 graus. A função de P é: a saída é igual ao erro multiplicado pelo coeficiente proporcional. Quanto maior o coeficiente, maior será a produção.

Por exemplo, seu robô precisa ser capaz de levantar uma perna com agilidade. Se o valor P for definido muito pequeno, será como usar um macarrão macio para arrancar uma pedra. O comando recebido peloservoé "levantar lenta e suavemente". Como resultado, a perna não pode ser levantada ou o movimento é lento como o de uma preguiça. Se o valor P for definido muito alto, será como pedir que você use toda a sua força para combater um mosquito que pousou em seu braço - a força é realmente demais. Quando oservoestá quase se aproximando dos 90 graus, ele ainda corre em uma velocidade louca, atinge o limite superior com um estrondo, depois salta para trás e corre novamente, causando tremores violentos. Com um coeficiente proporcional adequado, o servo pode usar 80% de sua potência para correr rapidamente em direção ao alvo e desacelerar ao se aproximar.

P/R: O que acontecerá com o servo quando o coeficiente proporcional for muito grande?

R: Ele vibra violentamente ou emite ruídos agudos, e a ultrapassagem da força faz com que ele oscile para frente e para trás na posição alvo. Em casos graves, a engrenagem pode ser danificada.

Portanto, o primeiro passo para ajustar o PID é lutar sozinho e ajustar apenas P. Defina I e D como 0. Aumente gradualmente o valor P de pequeno para grande e, ao mesmo tempo, preste atenção ao feedback do mecanismo de direção. Você testemunhará um claro processo de evolução: quando P é extremamente pequeno, o movimento é lento, sempre alguns graus antes de atingir o alvo (isso é chamado de “diferença estática”); à medida que P aumenta, o movimento se torna mais rápido, mas haverá tremores fracos perto do ponto alvo; à medida que P aumenta ainda mais, o tremor se intensifica, evoluindo para oscilações violentas. O ponto ideal geralmente aparece logo antes do valor crítico, onde a vibração apenas começou a tremer ligeiramente, mas ainda não saiu do controle. Lembre-se desse sentimento, ele é a base de toda a sua depuração subsequente.

Palavras de alerta para redação de artigos: itens integrais

No entanto, apenas com P, você encontrará rapidamente um gargalo. Por exemplo, se o seu robô estiver segurando um objeto pesado, o servo deverá ser mantido a 90 graus sem afrouxar. Devido à força da gravidade, um erro contínuo será gerado. O controle P apresenta as seguintes características: quanto maior o erro, maior o esforço necessário. No entanto, para contrabalançar esta gravidade, é necessária uma “força corretiva” contínua. Mas quando o erro é extremamente pequeno, a força aplicada também é muito pequena, o que faz com que o servo nunca consiga atingir com precisão 90 graus, podendo permanecer na posição de 89,5 graus. Este é o "erro estático" mencionado anteriormente.

Neste momento, foi a vez do segundo especialista da equipe, o item de pontos, denominado I, fazer sua estreia. O papel do I é como o de um contador com uma memória extremamente boa. Sua tarefa é somar todos os erros passados. Enquanto o erro persistir, esta soma acumulada continuará a aumentar. Em seguida, esse “razão geral” também será multiplicado por um coeficiente e adicionado ao comando de saída final.

Este mecanismo é simplesmente incrível! Quando a direção atinge 89,5 graus devido à gravidade, ocorre um ligeiro erro de 0,5 graus. Neste momento, P pode produzir apenas uma força fraca para este propósito, que é difícil de resistir à gravidade. Porém, vou me lembrar do erro de 0,5 graus. Após um segundo, ele acumulará 0,5 graus e se tornará 1. grau, e após dois segundos se tornará 1,5 graus, etc. O valor acumulado continua a aumentar e a produção de força adicional também continua a aumentar. Eventualmente, esse "impulso extra" sempre existente superará com precisão a influência da gravidade, forçando o servo a 90 graus precisos e travando-o neste ângulo.

P/R: Que problemas o termo integral pode resolver?

R: Elimine erros estáticos. Ele fornece força contínua acumulando pequenos desvios, permitindo que a caixa de direção resista a interferências externas e, finalmente, alcance a posição precisa.

No entanto, eu também sou um personagem perigoso. Se o valor I for definido muito grande, ou se houver um erro inicial no sistema, como quando não estiver em 0 assim que for ligado, a soma acumulada se expandirá rapidamente, fazendo com que o servo produza uma enorme força de "sobrecorreção", causando overshoot severo e oscilação violenta de longo prazo, que é chamada de "saturação integral". Uma situação mais comum é seu braço robótico ficar preso em alguma coisa, o erro está sempre aí, e vou acumular como um louco. Quando o obstáculo desaparece repentinamente, essa enorme força cumulativa será liberada instantaneamente, fazendo com que o servo voe como se tivesse sido ejetado, o que é extremamente perigoso.

Dicas para escrever artigos: termos diferenciais

Neste momento, nosso servo responde imediatamente quando P é acionado e, com a ajuda de I, ele se posiciona com precisão, o que parece muito bom. No entanto, é muito provável que ainda se sinta inadequado quando confrontado com determinados cenários em rápida mudança. Imagine que seu drone está pairando sob um vento forte ou que seu robô de corrida precisa fazer uma parada de emergência e virar em um instante. Neste momento, as respostas de P e eu pareciam um pouco “lentas”. Isso porque eles foram ajustados “depois”. O que precisamos é da capacidade de prever.

Este é o think tank da equipe, chamado de termo diferencial, ou D, para abreviar. O papel de D é como o de um profeta. Não importa quão grande é o erro atual, nem quantos erros se acumularam no passado. Ele só se preocupa com uma coisa: quão rápido o erro está mudando. Ele calculará a taxa de variação do erro, ou seja, a “inclinação do erro”. , se o erro estiver se expandindo rapidamente, como se o mecanismo de direção se desviasse rapidamente do alvo, D produzirá uma enorme força reversa, como um freio de emergência, para interromper esta situação. Se o erro estiver diminuindo a uma velocidade muito rápida, ou seja, o servo estiver se movendo em direção ao alvo em alta velocidade, então D também produzirá uma força na direção oposta e "pisará no freio" com antecedência para evitar que ultrapasse.

Vamos usar uma metáfora inteligente. Você dirige para encontrar um amigo. P refere-se a você controlar o acelerador e, quanto mais você avança, mais fundo você pressiona. É quando você está esperando o sinal vermelho, deslize lentamente o carro para frente para eliminar a distância da linha de parada. Este é um tipo de operação. Um comportamento na fase de espera; e D, ao ver um sinal vermelho à frente, solte o acelerador e aplique suavemente os freios. Este é um comportamento operacional. Deve ficar claro que não se trata de corrigir erros que já ocorreram, mas de prevenir a ocorrência de erros.

No campo do controle da caixa de direção, o papel de D é extremamente crítico. Pode suprimir significativamente a "ultrapassagem" e a "oscilação" causadas por P excessivo ou impacto externo. Por exemplo, existe um braço robótico que precisa se mover rapidamente ponto a ponto. Se não houver D, pode ser como um bêbado, atingindo o ponto alvo com um “clang” e depois quicando; mas quando um D adequado é adicionado, ele pode desacelerar de maneira elegante quando está prestes a se aproximar do ponto alvo e cair suavemente como uma pena.

P/R: Qual é a função principal do termo diferencial?

A: Suprima o overshoot e a oscilação. Ele prevê a tendência de erro e freia antecipadamente, dando “previsibilidade” ao mecanismo de direção e tornando a ação mais suave.

Até agora, a equipe de especialistas do PID está completa. P detém o poder do “presente”, I controla as contas do “passado” e D controla a tendência do “futuro”. Os três usam servos de alto desempenho, comopotênciaServo e o software de depuração que o acompanha para permitir que você ajuste cada parâmetro com extrema delicadeza, como um sintonizador.

É claro que o que você obtém do papel, em última análise, não parece profundo o suficiente. O processo de depuração real geralmente é realizado de acordo com um processo clássico. Chamamos esse processo de “método de estabilização em três etapas”.

Etapa 1: Defina I e D como zero. A partir de 0, aumente lentamente o valor de P até que o servo comece a produzir vibrações leves e contínuas de igual amplitude. Lembre-se desse valor P, depois divida-o pela metade e use esse valor reduzido pela metade como seu valor P inicial. Este “valor P da vibração” é uma característica fundamental do seu sistema.

Na segunda etapa, mantenha o valor P da primeira etapa, aumente lentamente o valor I de 0 e aumente I até que o servo elimine a diferença estática e possa retornar à sua posição original rapidamente e sem vibração após ser perturbado por forças externas (como girar o braço do servo com o dedo). Se houver um grande tremor, significa que estou muito grande, reduza.

P/R: Qual é a sequência correta para depuração do PID?

R: Primeiro ajuste P para oscilação crítica e depois reduza-o pela metade, depois ajuste I para eliminar a diferença estática e, finalmente, ajuste D para suprimir tremores secundários e otimizar passo a passo na ordem PID.

Em três etapas, em primeiro lugar, na primeira etapa, P e eu fizemos com que seu servo atingisse a posição correspondente com rapidez e precisão. No entanto, ainda pode haver alguns leves “acenos” ou “tremores secundários”. Então, na segunda etapa, neste momento, aumente o valor D de 0, e então você descobrirá que, à medida que D aumenta, o pequeno tremor final desaparecerá muito rapidamente e toda a ação se tornará extremamente nítida e limpa. Finalmente, na terceira etapa, tenha cuidado. Se o valor D for muito grande, a resposta do servo ficará lenta e até emitirá um grito de alta frequência, terminando.

Vou compartilhar com vocês um ponto-chave que é tacitamente compreendido pelos melhores em quase todas as áreas. Ou seja, o PID perfeito não é um conjunto de números rígidos e rápidos, mas um método artístico para alcançar o equilíbrio. Não existem “parâmetros únicos” que se apliquem a todas as situações. Você deve fazer ajustes dinâmicos com base na carga do servo, nos requisitos de velocidade de resposta e até mesmo nas mudanças de temperatura do ambiente. No que diz respeito aos projetos realizados pelos alunos, é mais crítico buscar “satisfazer funções e manter a estabilidade” do que buscar “o estado ideal determinado pela teoria pura”. Um robô que se move um pouco além da faixa de ajuste esperada, mas nunca fica preso, é muito mais eficaz do que um robô que é teoricamente preciso, mas que frequentemente vibra violentamente.

Sugestões de ação :

Neste momento, pegue seu robô imediatamente e inicie seu software de depuração de servo. Começando pelo valor P, use o que chamamos de “método de três etapas” para experimentar pessoalmente as mudanças em cada parâmetro. Primeiro use seu celular para registrar a situação atual de jitter com um vídeo em câmera lenta e, em seguida, anote os valores P/I/D que você ajusta em cada rodada e os efeitos correspondentes. Acredite em mim, quando você ajusta pessoalmente um robô em estado "epiléptico" para que fique suave e natural, você sentirá uma sensação de realização tão grande que nenhum código pronto pode lhe proporcionar. A partir de hoje, diga adeus ao nervosismo e deixe seu servo entender verdadeiramente todos os seus comandos.