Servo de ajuste PID: diga adiós a la inquietud y estabilice el robot en tres pasos

¿Alguna vez se ha encontrado con una situación en la que el brazo robótico que usted construyó cuidadosamente sigue temblando cuando agarra algo, como un paciente con Parkinson? ¿O tal vez el cardán del dron que construiste se balanceaba de izquierda a derecha con el viento y la imagen estaba borrosa como si estuvieras filmando una película de desastres?

Detrás de esto suele estar el "cerebro" del mecanismo de dirección y hay un problema con su programa de control. Además, el algoritmo central que controla la fuerza y ​​precisión del mecanismo de dirección, es decir, el ajuste PID, no se ha ajustado correctamente. No te asustes por estas tres letras. No es una magia incomprensible, sino una "técnica de equilibrio" extremadamente delicada. Hoy tomaremos los más utilizados.servocomo ejemplo para analizar en profundidad el secreto del ajuste PID, para que su robot pueda pasar de "movimientos" a "suaves".

Consejos para escribir artículos: coeficiente proporcional

Necesitamos entender cómo funciona el mecanismo de dirección. Le das una instrucción, es decir, "gira a la posición de 90 grados"; el motor en su interior girará locamente, impulsando así el conjunto de engranajes y el eje de salida; al mismo tiempo, un sensor llamado "potenciómetro" siempre detectará el ángulo real del eje; cuando el ángulo real aún no ha alcanzado los 90 grados, el controlador solicitará al motor que funcione hacia adelante a una potencia de salida máxima de unas pocas unidades por segundo; una vez que excede la posición objetivo, debe retroceder; sin un mecanismo de ajuste exquisito, saltará repetidamente hacia adelante y hacia atrás en el área cercana a la posición objetivo. Este es el fenómeno de "nerviosismo" que vemos.

El control PID es una habilidad extraordinaria para abordar este problema de "salto horizontal repetido". P, I y D son las abreviaturas de proporción, integral y diferencial respectivamente. Los tres son como un grupo de expertos, trabajando juntos para enviar el comando "señal PWM" para indicarle al mecanismo de dirección cuánta fuerza usar y en qué dirección girar.

Primero echemos un vistazo al miembro más crítico e importante del equipo, que es el coeficiente proporcional, denominado P para abreviar. El trabajo que realiza tiene las características más simples, directas y crudas: juzgar la fuerza de la salida en función del error actual. Entonces, ¿a qué se le llama error? El llamado error es la diferencia obtenida restando el "ángulo objetivo" del "ángulo actual". Supongamos que planeas girar 90 grados y en este momento estás en 0 grados, entonces el error es 90 grados. La función de P es: la salida es igual al error multiplicado por el coeficiente proporcional. Cuanto mayor sea el coeficiente, mayor será la producción.

Por ejemplo, su robot debe poder levantar una pierna con agilidad. Si el valor P se establece demasiado pequeño, será como usar un fideo blando para hacer palanca en una piedra. La orden recibida por elservoes "levantar lenta y suavemente". Como resultado, la pierna no se puede levantar en absoluto o el movimiento es tan lento como el de un perezoso. Si el valor P se establece demasiado grande, será como pedirle que use todas sus fuerzas para luchar contra un mosquito que se posó en su brazo: la fuerza es realmente demasiada. cuando elservoSe acerca casi a los 90 grados, todavía corre a una velocidad increíble, alcanza el límite superior con fuerza, luego rebota y corre de nuevo, provocando violentos temblores. Con un coeficiente proporcional adecuado, el servo puede utilizar el 80% de su potencia para correr rápidamente hacia el objetivo y reducir la velocidad al acercarse.

P/R: ¿Qué pasará con el servo cuando el coeficiente proporcional sea demasiado grande?

R: Vibra violentamente o hace ruidos agudos y el exceso de fuerza hace que oscile hacia adelante y hacia atrás en la posición objetivo. En casos severos, el engranaje puede dañarse.

Por lo tanto, el primer paso para ajustar el PID es luchar solo y solo ajustar P. Establezca I y D en 0. Aumente gradualmente el valor de P de pequeño a grande y, al mismo tiempo, preste atención a la retroalimentación del mecanismo de dirección. Serás testigo de un claro proceso de evolución: cuando P es extremadamente pequeño, el movimiento es lento, siempre a unos pocos grados de alcanzar el objetivo (esto se llama "diferencia estática"); a medida que aumenta P, el movimiento se vuelve más rápido, pero habrá una vibración débil cerca del punto objetivo; A medida que P aumenta aún más, la sacudida se intensifica y evoluciona hacia oscilaciones violentas. El punto óptimo suele aparecer justo antes del valor crítico, donde la vibración acaba de empezar a temblar ligeramente pero aún no se ha descontrolado. Recuerde este sentimiento, es la piedra angular de toda su depuración posterior.

Palabras clave para la redacción de artículos: elementos integrales

Sin embargo, con P solo, rápidamente encontrará un cuello de botella. Por ejemplo, si su robot sostiene un objeto pesado, el servo debe mantenerse a 90 grados sin aflojarse. Debido a la fuerza de gravedad, se generará un error continuo. El control P presenta tales características: cuanto mayor es el error, mayor es el esfuerzo requerido. Sin embargo, para contrarrestar esta gravedad, se necesita una "fuerza correctora" continua. Pero cuando el error es extremadamente pequeño, la fuerza aplicada también es muy pequeña, lo que da como resultado que el servo nunca pueda alcanzar con precisión los 90 grados y puede permanecer en la posición de 89,5 grados. Este es el "error estático" mencionado anteriormente.

En ese momento, fue el turno del segundo experto del equipo, el elemento de puntos, denominado I, de hacer su debut. El papel del yo es como el de un contador con muy buena memoria. Su tarea es sumar todos los errores pasados. Mientras el error persista, esta suma acumulada seguirá aumentando. Luego, este "libro mayor" también se multiplicará por un coeficiente y se agregará al comando de salida final.

¡Este mecanismo es simplemente asombroso! Cuando el mecanismo de dirección alcanza los 89,5 grados debido a la gravedad, se produce un ligero error de 0,5 grados. En este momento, es posible que P solo genere una fuerza débil para este propósito, que es difícil de resistir la gravedad. Sin embargo, recordaré el error de 0,5 grados. Después de un segundo, acumulará los 0,5 grados y se convertirá en 1 grado, y después de dos segundos se convertirá en 1,5 grados, etc. El valor acumulado continúa aumentando y la producción de fuerza adicional también continúa aumentando. Con el tiempo, este "empuje extra" siempre existente superará con precisión la influencia de la gravedad, empujando a la fuerza el servo a unos precisos 90 grados y bloqueándolo en este ángulo.

P/R: ¿Qué problemas puede resolver el término integral?

R: Elimina los errores estáticos. Proporciona fuerza continua acumulando pequeñas desviaciones, lo que permite que el mecanismo de dirección resista interferencias externas y finalmente alcance la posición precisa.

Sin embargo, también soy un personaje peligroso. Si el valor I se establece demasiado grande, o hay un error inicial en el sistema, como cuando no está en 0 tan pronto como se enciende, la suma acumulada se expandirá rápidamente, causando que el servo genere una enorme fuerza de "sobrecorrección", causando un exceso severo y una oscilación violenta a largo plazo, lo que se llama "saturación integral". Una situación más común es que tu brazo robótico se atasque en algo, el error siempre está ahí y se acumulará como loco. Cuando el obstáculo desaparece repentinamente, esta enorme fuerza acumulada se liberará instantáneamente, lo que hará que el servo salga volando como si hubiera sido expulsado, lo cual es extremadamente peligroso.

Consejos para redactar artículos: términos diferenciales

En este momento, nuestro servo responde inmediatamente cuando se acciona P y, con la ayuda de I, se posiciona con precisión, lo que se ve bastante bien. Sin embargo, es muy probable que todavía se sienta inadecuado ante ciertos escenarios que cambian rápidamente. Imagine que su dron está flotando en medio de un fuerte viento, o que su robot de carreras necesita hacer una parada de emergencia y girar en un instante. En ese momento, las respuestas de P y de mí parecían un poco "lentas". Esto se debe a que fueron ajustados "después". Lo que necesitamos es la capacidad de prever.

Este es el grupo de expertos del equipo, llamado término diferencial, o D para abreviar. El papel de D es como el de un profeta. No importa cuán grande sea el error actual ni cuántos errores se hayan acumulado en el pasado. Sólo le importa una cosa: qué tan rápido cambia el error. Calculará la tasa de cambio del error, en otras palabras, la "pendiente del error". , si el error se está expandiendo rápidamente, por ejemplo, el mecanismo de dirección se desvía rápidamente del objetivo, D generará una fuerza inversa enorme, como un freno de emergencia, para detener esta situación. Si el error se reduce a una velocidad muy rápida, es decir, el servo se mueve hacia el objetivo a alta velocidad, entonces D también generará una fuerza en la dirección opuesta y "pisará el freno" con anticipación para evitar que se exceda.

Usemos una metáfora inteligente. Conduces para encontrarte con un amigo. P se refiere a que usted controla el acelerador y cuanto más avanza, más profundamente lo presiona. Es cuando esté esperando el semáforo en rojo, deslice lentamente el automóvil hacia adelante para eliminar la distancia desde la línea de parada. Este es un tipo de operación. Un comportamiento en la etapa de espera; y D, cuando vea una luz roja más adelante, suelte el acelerador y aplique los frenos suavemente. Este es un comportamiento operativo de este tipo. Debe quedar claro que no se trata de corregir errores que ya se han producido, sino de evitar que se produzcan errores.

En el campo del control del mecanismo de dirección, el papel de D es extremadamente crítico. Puede suprimir significativamente el "sobreimpulso" y la "oscilación" causados ​​por una P excesiva o un impacto externo. Por ejemplo, hay un brazo robótico que necesita moverse rápidamente de un punto a otro. Si no hay D, puede ser como un borracho, que golpea el punto objetivo con un "sonido metálico" y luego rebota; pero cuando se agrega una D adecuada, puede desacelerar de manera elegante cuando está a punto de acercarse al punto objetivo y caer tan suavemente como una pluma.

P/R: ¿Cuál es la función principal del término diferencial?

R: Suprime el sobreimpulso y la oscilación. Predice la tendencia del error y frena con antelación, dando al mecanismo de dirección "previsibilidad" y haciendo que la acción sea más suave.

Hasta ahora, el equipo de expertos de PID está completo. P tiene el poder del "presente", I controla las cuentas del "pasado" y D controla la tendencia del "futuro". Los tres utilizan servos de alto rendimiento comokpotenciaServo y el software de depuración que lo acompaña le permitirán ajustar cada parámetro con extrema delicadeza como un sintonizador.

Por supuesto, lo que se obtiene del papel, en última instancia, no parece lo suficientemente profundo. El proceso de depuración real suele realizarse según un proceso clásico. A este proceso lo llamamos el "método de estabilización de tres pasos".

Paso 1: establezca I y D en cero. Comenzando desde 0, aumente lentamente el valor de P hasta que el servo comience a producir vibraciones leves y continuas de igual amplitud. Recuerde este valor P, luego divídalo a la mitad y use este valor reducido a la mitad como su valor P inicial. Este "valor P de vibración" es una característica clave de su sistema.

En el segundo paso, mantenga el valor P del primer paso, aumente lentamente el valor I desde 0 y aumente I hasta que el servo elimine la diferencia estática y pueda volver a su posición original rápidamente y sin vibración después de haber sido perturbado por fuerzas externas (como girar el brazo del servo con el dedo). Si hay un gran temblor, significa que soy demasiado grande, redúzcalo.

P/R: ¿Cuál es la secuencia correcta para la depuración de PID?

R: Primero ajuste P a la oscilación crítica y luego redúzcala a la mitad, luego ajuste I para eliminar la diferencia estática y finalmente ajuste D para suprimir las réplicas y optimice paso a paso en orden PID.

En tres pasos, en primer lugar, en el primer paso, P y yo hemos hecho que tu servo alcance la posición correspondiente de forma rápida y precisa. Sin embargo, es posible que todavía tenga algunos ligeros "asentimientos" o "réplicas". Luego, en el segundo paso, en este momento, aumente el valor D desde 0, y luego encontrará que, a medida que D aumenta, el pequeño temblor final desaparecerá muy rápidamente y toda la acción se volverá extremadamente nítida y limpia. Finalmente, en el tercer paso, tenga cuidado. Si el valor D es demasiado grande, la respuesta del servo se volverá lenta e incluso emitirá un grito de alta frecuencia, finalizando.

Voy a compartir con ustedes un punto clave que tácitamente entienden los mejores en casi todos los campos. Es decir, el PID perfecto no es un conjunto de números concretos y rápidos, sino un método artístico para lograr el equilibrio. No existen “parámetros únicos” que se apliquen a todas las situaciones. Tienes que hacer ajustes dinámicos basados ​​en la carga del servo, los requisitos de velocidad de respuesta e incluso los cambios de temperatura del ambiente. En lo que respecta a los proyectos realizados por los estudiantes, es más crítico perseguir "funciones satisfactorias y mantener la estabilidad" que perseguir "el estado óptimo determinado por la teoría pura". Un robot que se mueve ligeramente más allá del rango de ajuste esperado pero que nunca se atasca es mucho más efectivo que un robot que es teóricamente preciso pero que a menudo vibra violentamente.

Sugerencias de acción :

En este momento, levante su robot inmediatamente e inicie su software de depuración de servos. A partir del valor P, utilice lo que llamamos el "método de tres pasos" para experimentar personalmente los cambios en cada parámetro. Primero use su teléfono móvil para grabar la situación actual de fluctuación con un video en cámara lenta y luego escriba los valores P/I/D que ajusta en cada ronda y los efectos correspondientes. Créame, cuando ajuste personalmente un robot en un estado "epiléptico" para que sea suave y natural, sentirá una sensación de logro tan grande que ningún código prefabricado puede brindarle. A partir de hoy, diga adiós al jitter y deje que su servo comprenda verdaderamente cada una de sus órdenes.