Сервопривод регулировки ПИД: попрощайтесь с джиттером и стабилизируйте робота за три шага

Вы когда-нибудь сталкивались с ситуацией, когда рука робота, которую вы тщательно построили, продолжает трястись, когда она что-то хватает, как у пациента с болезнью Паркинсона? Или, может быть, подвес дрона, который вы построили, раскачивался на ветру влево и вправо, и изображение было размытым, как будто вы снимали фильм-катастрофу?

За этим часто стоит «мозг» рулевого механизма, и возникает проблема с программой его управления. Кроме того, основной алгоритм, контролирующий силу и точность рулевого механизма, а именно регулировка PID, не был настроен должным образом. Не пугайтесь этих трех букв. Это не непостижимая магия, а чрезвычайно тонкая «техника баланса». Сегодня мы рассмотрим наиболее часто используемыесервоприводв качестве примера, чтобы подробно разобрать секрет регулировки ПИД, чтобы ваш робот мог переходить от «дергающегося» к «плавному».

Советы по написанию статьи: коэффициент пропорциональности

Нам нужно понять, как работает рулевой механизм. Вы даете ему команду, то есть «повернуться на 90 градусов»; двигатель внутри него будет бешено вращаться, приводя в движение зубчатую передачу и выходной вал; в то же время датчик, называемый «потенциометром», всегда определяет фактический угол вала; когда фактический угол остается неподвижным. Когда он не достиг 90 градусов, контроллер предложит двигателю двигаться вперед с максимальной выходной мощностью в несколько единиц в секунду; как только он превысит целевое положение, он должен повернуть назад; без сложного механизма регулировки он будет неоднократно прыгать вперед и назад в области рядом с целевой позицией. Это явление «дрожания», которое мы наблюдаем.

ПИД-регулирование — это исключительная возможность справиться с проблемой «повторяющихся горизонтальных прыжков». P, I и D — это сокращения пропорции, интеграла и дифференциала соответственно. Все трое подобны группе экспертов, работающих вместе, чтобы послать команду «ШИМ-сигнал», чтобы сообщить рулевому механизму, какое усилие приложить и в каком направлении повернуть.

Давайте сначала взглянем на самого критического и важного члена команды, то есть на пропорциональный коэффициент, сокращенно называемый P. Выполняемая им работа имеет самые простые, прямые и грубые характеристики: оценка мощности выходного сигнала на основе текущей ошибки. Так что же называется ошибкой? Так называемая ошибка – это разница, полученная путем вычитания «целевого угла» из «текущего угла». Предположим, вы планируете повернуть на 90 градусов, и в данный момент вы находитесь на 0 градусах, тогда ошибка составит 90 градусов. Функция P такова: выходной сигнал равен ошибке, умноженной на пропорциональный коэффициент. Чем больше коэффициент, тем больше выход.

Например, ваш робот должен уметь ловко поднимать ногу. Если значение P установлено слишком маленьким, это будет похоже на использование мягкой лапши, чтобы поддеть камень. Команда, полученнаясервоприводзначит «поднимать медленно и осторожно». В результате ногу вообще невозможно поднять, либо движение становится медленным, как у ленивца. Если значение P установлено слишком большим, это будет похоже на то, что вас просят использовать всю свою силу для борьбы с комаром, севшим вам на руку — сила действительно слишком велика. Когдасервоприводпочти приближается к 90 градусам, он все равно мчится с сумасшедшей скоростью, с грохотом достигает верхнего предела, затем отскакивает назад и снова мчится, вызывая сильную тряску. При подходящем пропорциональном коэффициенте сервопривод может использовать 80% своей мощности для быстрого движения к цели и замедления при приближении.

Вопрос/Ответ: Что произойдет с сервоприводом, если коэффициент пропорциональности станет слишком большим?

Ответ: Он сильно вибрирует или издает резкие звуки, а превышение силы заставляет его колебаться взад и вперед в заданном положении. В тяжелых случаях шестерня может быть повреждена.

Поэтому первый шаг по настройке PID — бороться в одиночку и регулировать только P. Установите I и D на 0. Постепенно увеличивайте значение P от малого к большому и в то же время обращайте внимание на обратную связь рулевого механизма. Вы станете свидетелем четкого процесса эволюции: когда P чрезвычайно мало, движение медленное, всегда на несколько градусов не достигая цели (это называется «статической разницей»); при увеличении P движение становится быстрее, но вблизи целевой точки будет слабая тряска; по мере дальнейшего увеличения P тряска усиливается, переходя в сильные колебания. Оптимальная точка обычно появляется непосредственно перед критическим значением, когда вибрация только начала слегка трястись, но еще не вышла из-под контроля. Запомните это чувство, оно лежит в основе всей вашей последующей отладки.

Слова-подсказки для написания статьи: цельные предметы

Однако, используя только P, вы быстро столкнетесь с узким местом. Например, если ваш робот держит тяжелый предмет, сервопривод необходимо удерживать под углом 90 градусов, не ослабляя. Из-за силы тяжести будет генерироваться непрерывная ошибка. П-управление имеет такие характеристики: чем больше ошибка, тем больше требуется усилий. Однако, чтобы противодействовать этой гравитации, необходима непрерывная «корректирующая сила». Но когда ошибка чрезвычайно мала, приложенная сила также очень мала, в результате чего сервопривод никогда не сможет точно достичь угла 90 градусов и может оставаться в положении 89,5 градусов. Это упомянутая ранее «статическая ошибка».

В это время настала очередь дебютировать второму эксперту команды, пункту по очкам, именуемому I. Роль Я подобна бухгалтеру с чрезвычайно хорошей памятью. Его задача — сложить все прошлые ошибки. Пока ошибка сохраняется, эта совокупная сумма будет продолжать увеличиваться. Затем эта «главная книга» также будет умножена на коэффициент и добавлена ​​к окончательной выходной команде.

Этот механизм просто потрясающий! При достижении поворотом рулевого механизма 89,5 градусов под действием силы тяжести возникает небольшая погрешность в 0,5 градуса. В настоящее время P может создавать для этой цели только слабую силу, которой трудно противостоять гравитации. Однако я запомню погрешность в 0,5 градуса. Через одну секунду оно накопит 0,5 градуса и станет 1 градусом, а через две секунды оно станет 1,5 градуса и т. д. Накопленное значение продолжает увеличиваться, и выходная дополнительная сила также продолжает увеличиваться. В конце концов, эта всегда существующая «дополнительная тяга» точно преодолеет влияние гравитации, принудительно толкая сервопривод точно на 90 градусов и фиксируя его под этим углом.

Вопрос/ответ: Какие проблемы может решить интегральный член?

О: Устраните статические ошибки. Он обеспечивает постоянное усилие, накапливая небольшие отклонения, позволяя рулевому механизму противостоять внешним воздействиям и в конечном итоге достигать точного положения.

Однако я тоже опасный персонаж. Если значение I установлено слишком большим или в системе имеется начальная ошибка, например, когда оно не равно 0 при включении питания, накопленная сумма будет быстро увеличиваться, заставляя сервопривод выдавать огромную силу «чрезмерной коррекции», вызывающую серьезное перерегулирование и длительные сильные колебания, которые называются «интегральным насыщением». Более распространенная ситуация — ваша роботизированная рука на чем-то застряла, ошибка всегда есть, и я буду накапливаться как сумасшедший. Когда препятствие внезапно исчезает, эта огромная совокупная сила мгновенно высвобождается, в результате чего сервопривод вылетает, как если бы его выбросили, что чрезвычайно опасно.

Советы по написанию статьи: дифференциальные термины

В этот момент наш сервомотор сразу реагирует на нажатие P и с помощью I точно позиционирует, что выглядит довольно хорошо. Однако вполне вероятно, что он по-прежнему будет чувствовать себя неадекватным, столкнувшись с некоторыми быстро меняющимися сценариями. Представьте, что ваш дрон зависает на сильном ветру или вашему гоночному роботу необходимо мгновенно остановиться и развернуться. В это время ответы П. и меня казались немного «медленными». Это потому, что они были скорректированы «потом». Нам нужна способность предвидеть.

Это аналитический центр в команде, называемый дифференциальным термином или сокращенно D. Роль Д подобна пророку. Его не волнует, насколько велика текущая ошибка или сколько ошибок накопилось в прошлом. Его заботит только одно: насколько быстро меняется ошибка. Он рассчитает скорость изменения ошибки, другими словами, «наклон ошибки». , если ошибка быстро увеличивается, например, рулевой механизм быстро отклоняется от цели, D создаст огромную обратную силу, как аварийный тормоз, чтобы остановить эту ситуацию. Если ошибка уменьшается на очень высокой скорости, то есть сервопривод движется к цели на высокой скорости, то D также выдаст силу в противоположном направлении и заранее «нажмет на тормоз», чтобы предотвратить перелет.

Давайте воспользуемся умной метафорой. Вы едете на встречу с другом. P означает, что вы управляете акселератором, и чем дальше вы едете, тем глубже вы нажимаете на него. И это когда вы ждете красного света, медленно ведите машину вперед, чтобы ликвидировать расстояние от стоп-линии. Это своего рода операция. Поведение на стадии ожидания; и D, когда вы увидите впереди красный свет, отпустите педаль газа и плавно затормозите. Это такое рабочее поведение. Должно быть ясно, что речь идет не об исправлении уже произошедших ошибок, а о предотвращении их возникновения.

В области управления рулевым механизмом роль D крайне важна. Он может существенно подавить «перерегулирование» и «колебания», вызванные чрезмерным P или внешним воздействием. Например, есть роботизированная рука, которой нужно быстро перемещаться от точки к точке. Если нет Д, то это может быть похоже на пьяного, который с «лязгом» попадает в целевую точку, а затем отскакивает; но когда добавлена ​​подходящая буква D, он может элегантно замедлиться, когда приближается к целевой точке, и упасть вниз так же мягко, как перышко.

Вопрос/ответ: Какова основная функция дифференциального члена?

A: Подавление перерегулирования и колебаний. Он прогнозирует тенденцию ошибок и заранее тормозит, придавая рулевому механизму «предсказуемость» и делая работу более плавной.

На данный момент экспертная группа PID укомплектована. P несет в себе силу «настоящего», I контролирует отчеты о «прошлом», а D контролирует тенденцию «будущего». Все трое используют высокопроизводительные сервоприводы, такие какмощностьСервопривод и сопутствующее программное обеспечение для отладки позволяют вам очень деликатно настраивать каждый параметр, как тюнер.

Конечно, то, что вы получаете на бумаге, в конечном итоге не кажется достаточно глубоким. Фактический процесс отладки часто выполняется в соответствии с классическим процессом. Мы называем этот процесс «методом трехступенчатой ​​стабилизации».

Шаг 1: Установите I и D на ноль. Начиная с 0, медленно увеличивайте значение P до тех пор, пока сервопривод не начнет производить легкие непрерывные вибрации равной амплитуды. Запомните это значение P, затем уменьшите его вдвое и используйте это уменьшенное вдвое значение в качестве начального значения P. Это «P-значение вибрации» является ключевой характеристикой вашей системы.

На втором этапе поддерживайте значение P первого шага, медленно увеличивайте значение I от 0 и увеличивайте I до тех пор, пока сервопривод не устранит статическую разницу и не сможет быстро и без вибрации вернуться в исходное положение после воздействия внешних сил (например, поворота рычага сервопривода пальцем). Если есть большая тряска, значит, я слишком большая, уменьшите ее.

Вопрос/ответ: Какова правильная последовательность отладки PID?

A: Сначала отрегулируйте P до критического колебания, затем уменьшите его вдвое, затем отрегулируйте I, чтобы устранить статическую разницу, и, наконец, отрегулируйте D, чтобы подавить толчки, и оптимизируйте шаг за шагом в порядке ПИД.

За три шага, прежде всего, на первом этапе, мы с P заставили ваш сервопривод быстро и точно достичь соответствующего положения. Тем не менее, у него все еще могут быть легкие «кивки» или «афтершоки». Затем, на втором этапе, в это время увеличьте значение D от 0, и тогда вы обнаружите, что по мере увеличения D последнее, крошечное дрожание очень быстро исчезнет, ​​и все действие станет чрезвычайно четким и чистым. Наконец, на третьем этапе будьте осторожны. Если значение D слишком велико, реакция сервопривода станет вялой и даже издаст высокочастотный крик, заканчивающийся.

Я собираюсь поделиться с вами ключевым моментом, который молчаливо понимают лучшие практически во всех областях. То есть идеальный PID — это не набор жестких и быстрых цифр, а художественный метод достижения баланса. Не существует «универсальных параметров», применимых ко всем ситуациям. Вам придется выполнять динамические настройки в зависимости от нагрузки сервопривода, требований к скорости реакции и даже изменений температуры окружающей среды. Что касается проектов, выполняемых студентами, более важно стремиться к «удовлетворению функций и поддержанию стабильности», чем к «оптимальному состоянию, определяемому чистой теорией». Робот, который немного выходит за пределы ожидаемого диапазона регулировки, но никогда не застревает, гораздо более эффективен, чем робот, который теоретически точен, но часто сильно вибрирует.

Рекомендации по действию :

В этот момент немедленно возьмите своего робота и запустите программное обеспечение для отладки сервоприводов. Начиная со значения P, используйте так называемый «трехэтапный метод», чтобы лично ощутить изменения каждого параметра. Сначала используйте свой мобильный телефон, чтобы записать текущую ситуацию с джиттером с помощью замедленного видео, а затем запишите значения P/I/D, которые вы регулируете в каждом раунде, и соответствующие эффекты. Поверьте, когда вы лично настроите робота в «эпилептическом» состоянии, чтобы он работал плавно и естественно, вы почувствуете такое огромное чувство выполненного долга, которое не сможет вам дать ни один готовый код. С сегодняшнего дня попрощайтесь с дрожью и позвольте вашему сервоприводу по-настоящему понимать каждую вашу команду.