【文章內(nèi)容簡介】 了智能車的速度檢測模塊，該模塊的作用就是實(shí)時(shí)的給單片機(jī)提供智能車行駛速度，智能車通過傳感器感應(yīng)到的路面信息經(jīng)過單片機(jī)處理后就能判斷出此時(shí)智能車所處的狀態(tài)，通過對賽道的分析我們知道所處的狀態(tài)不同，智能車所要求達(dá)到的車速也是不同的，這就要求智能車在判斷完?duì)顟B(tài)后檢測當(dāng)前車速，看車速是否符合當(dāng)前狀態(tài)，如速度值小于給定車速，則將驅(qū)動(dòng)電機(jī) PWM 輸入的占空比置為 100%，若速度大于給定車速則將電機(jī)的 PWM 占空比置為 0，以達(dá)到控制車速的目的。智能車在行駛中的狀態(tài)是實(shí) 時(shí)變化的，這就要求速度控制系統(tǒng)也要不斷變化，變化完畢后還要進(jìn)行檢查。我們把這個(gè)檢測系統(tǒng)稱為速度閉環(huán)，如圖 所示。 圖 控制系統(tǒng)中的軟件需要完成系統(tǒng)初始化以及控制過程的實(shí)現(xiàn)等功能，是一個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。單片機(jī)系統(tǒng)需要接收路徑識別電路的信號及車速傳感器的信號，并采用某種路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作。這些功能的實(shí)現(xiàn)都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的算法設(shè)計(jì)主要包括數(shù)學(xué)建模、方向控制算法和速度控制算法。 智能車的軟件設(shè)計(jì)基于 Resenas Hiperformance Embedded Workshop 編程環(huán)境開發(fā)和調(diào)試，使用 C 語言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)程序流程圖 所示： ? 使用 C 語言編程。 ? 傳感器狀態(tài)的讀取，伺服的操控，左右馬達(dá)的控制。 ? 檢測出直角前方的橫線，將信息傳送給專門程序，在到達(dá)直角彎道時(shí)大幅度轉(zhuǎn)彎。 智能車的數(shù)學(xué)模型及其控制算法的實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 智能車傳感器采用一字形布置，這種布置形式使輸入信號簡單明確，抗干擾信號能力強(qiáng)，但是由于硬件條件的限制，智能車只能看到腳下的道路。我們對智能車進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)并不需要過多的計(jì)算，將智能車與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合起來，通過傳感器的信息采集我們就可以知道，智能車告訴我們的不是其處于彎道還是直道，是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，將要走直線還是轉(zhuǎn)彎，而是說明的智能車當(dāng)前的位置與白線的關(guān)系 ，所以我們可以建立一個(gè)以原點(diǎn)對稱的坐標(biāo)軸來描述智能車的數(shù)學(xué)模型 ，如圖 4 所示。 關(guān)于 PID 在過程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進(jìn)行控制的 PID控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對象， PID 控制器是一種最優(yōu)控制。 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（ PI、PD、?）。 參數(shù)的選擇： ①比例系數(shù) P 對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小； P 偏大 ，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長； P 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定； P 太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。 P 可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果 P的符號選擇不當(dāng)對象測量值就會(huì)離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況 P 的符號就一定要取反。同時(shí)要注意的是，力控的策略控制器的 PID 控制塊的 P參數(shù)是 PID 控制中的增益。 ②積分控制 I 對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， I?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 ③微分控制 D 對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性， D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短； D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長；只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 經(jīng)常有人問有關(guān) PID 的用法，看一些有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用的書上都有關(guān)于 PID的應(yīng)用原理，但是面對具體的問題就不知道如何應(yīng)用了，主要的問題是里面所用到的參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行什么處理，通過什么樣的換算才能具體地應(yīng)用于實(shí)際，另外在計(jì)算方法上也存在著數(shù)值計(jì)算的算法問題，下面舉例溫度控制中的PID 部分，希望能夠把 PID 的具體應(yīng)用說明白。 名詞解釋 ： 直接計(jì)算法和增量算法，這里的所謂增量算法就是相對于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運(yùn)算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說，在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加（負(fù)值意味著減少）控制量，；例如對于可控硅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，就是可控硅的觸發(fā)相位還需要提前（或遲后）的量，對于溫度控制就是需要增加（或減少）加熱比例，根據(jù)具體的應(yīng)用適當(dāng)選擇采用哪一種算法，但基本的控制方法、原理是完全一樣的，直接計(jì)算法得到的是當(dāng)前需要的控制量，相鄰兩次控制量的差就是增量； 基本偏差 e(t)。表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之間的差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可 以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。 累計(jì)偏差 ∑ e(t)=e(t)+e(t1)+e(t2)+? +e(1) 式 這是我們每一次測量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到它的正負(fù)符號的運(yùn)算，這是面向積分項(xiàng)用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 基本偏差的相對偏差 e(t)e(t1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對象的趨勢，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 三個(gè)基本參數(shù)： Kp,Ki,Kd。這是做好一個(gè)控制器的關(guān)鍵常熟，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象它們需要選擇不同的數(shù)值，還需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試才能獲得較好的效果。 標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算法公式： Pout(t)=Kp*e(t)+Ki*∑ e(t)+Kd*(e(t)+e(t1))。 式 上一次的計(jì)算值： Pout(t1)=Kp*e(t1)+Ki*∑ e(t1)+Kd*(e(t1)+e(t2))。 式 兩式相減得到增量法計(jì)算公式： Pout=Kp*(e(t)e(t1)+Ki*e(t)+Kd*(e(t)2*e(t1)+e(t2))。 式 這里我們對 ∑ 項(xiàng)的表示應(yīng)該是對 e(i)從 1到 t的全部總和。 參數(shù)的作用 三個(gè)基本參數(shù) Kp,Ki,Kd 在實(shí)際控制中的作用： 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用越大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選 擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)地加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD或 PID 控制器。 具體應(yīng)用中的數(shù)值量化處理 上面只是控制算法的數(shù)學(xué)方法，似乎有點(diǎn)抽象，在具體的控制項(xiàng)目中怎么對應(yīng)呢？也就是具體的量化問題。下面舉一個(gè)在溫度控制中的處理方法。 對于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)的供電時(shí)間比例來調(diào)節(jié)加溫控制溫度，一般以調(diào)節(jié)加溫時(shí)間比例比較簡單，也是控制上比較常用的方法。調(diào)壓法控制的原理是通過調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)相位角達(dá)到對電壓的調(diào)節(jié)，這個(gè)電壓是指有效電壓，直觀上就是對一個(gè)正弦波形的前邊切掉一塊，用不同的切割位置以保留剩余的面積。為了敘述方便，我們還是采用控制時(shí)間比例的辦法：我們設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加溫周期，例如 2分鐘，我們就在這個(gè)兩分鐘周期內(nèi)對輸出進(jìn)行控制，也就是說在這個(gè) 2 分鐘內(nèi)加溫多少時(shí)間，全速加溫就是連續(xù)整個(gè)周期（ 2分鐘）都加 溫，當(dāng)然停止加溫就是完全不輸出，根據(jù)我們的計(jì)算可以讓加溫時(shí)間在 02 分鐘內(nèi)變化，比如計(jì)算所得我們在這一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)該加溫 1 分 30 秒，經(jīng)過兩分鐘以后再測量被加溫物體的溫度，通過計(jì)算我們應(yīng)該加溫 1 分 28 秒，等等，這里除了加溫以外的時(shí)間就是不加溫，等待下一個(gè)周期到來，再進(jìn)行實(shí)際測量計(jì)算下一周期我們的輸出量，周而復(fù)始，不斷地修正我們的輸出量，以達(dá)到對溫度的有效控制。 為了對應(yīng)我們的程序處理上的方便，我們在程序內(nèi)部一般并不是用時(shí)分秒來計(jì)算的，通常我們會(huì)使用系統(tǒng)的一個(gè)定時(shí)器用于系統(tǒng)全部時(shí)鐘，例如顯示刷新、鍵盤掃描等，相對 于計(jì)算來說，我們的控制周期比較長，所以我們對 2 分鐘進(jìn)行細(xì)分，例如我們用每分鐘進(jìn)行 100 等分，則兩分鐘就是 200等分，用于我們的溫度控制，這樣的輸出比例的變化已經(jīng)足夠細(xì)了，我們可以有 200 個(gè)輸出等級了。取 200 的另一個(gè)好處是，對應(yīng)于我們的 8位單片機(jī)剛好可以在一個(gè)字節(jié)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，程序簡單運(yùn)算速度快。當(dāng)需要改變我們的定時(shí)周期時(shí)，有些不同的加熱對象，例如對較大熱慣性的加熱對象時(shí)，可能 2 分鐘周期太短了，我們可以通過修改基本定時(shí)常數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)，而保持我們的 200 等分不變。我們對 2分鐘進(jìn)行 200等分，算一下它的每一個(gè)基 本單位的具體時(shí)間？ To=60*2/200==600ms 式 這對于單片機(jī)來說太長了，因?yàn)槿绻易屛业亩〞r(shí)器做到這么慢的定時(shí)周期就干不了別的事了，為了其他處理一般我們定時(shí)在 510ms，所以就需要另外設(shè)定一個(gè)變量 Ttemp 在每一個(gè)定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)對 Ttemp 計(jì)數(shù)。例如我的系統(tǒng)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)對應(yīng)于 10ms，則設(shè)定 Ttemp 在達(dá)到 60的時(shí)候才確認(rèn)是達(dá)到 600ms 了，才作為一個(gè)基本的輸出時(shí)間單位。對應(yīng)于總周期的修改，我們的 200等分可以不用修改，而只要修改我們的變量 Ttemp 的判 斷邊界就可以了，例如對應(yīng)于 2分鐘時(shí)是 60，則在 3分鐘為周期時(shí)邊界改為 90 就行了，定下了我們的基本控制時(shí)間分辨率以后，我們的就算就可以不用改變了。當(dāng)然，根據(jù)具體對象也可以修改這個(gè)等分?jǐn)?shù)。 溫控儀離不開測溫器件，無論用什么測溫器件（傳感器），對于控制上來說，首先需要將測到的值換算為溫度數(shù)據(jù)，一般我們國內(nèi)都采用攝氏度℃，工業(yè)上使用的測溫器件一般都是非線性的器件，經(jīng)過放大、 A/D轉(zhuǎn)換所得到的電壓數(shù)據(jù)與溫度呈非線性關(guān)系，存在著微小的差異，一般采用電壓值查表的辦法獲得實(shí)際溫度，這個(gè)表格是以每一個(gè)溫度點(diǎn)上的電壓值來表達(dá)的 ，由于我們的單片機(jī) rom的大小限制，這個(gè)表格就不可能做得很細(xì)，基本上以度作為間隔，也就是說直接查表只能獲得度為單位的溫度值，而實(shí)際測量的溫度可能是介于 T與 T+1度之間，在 PID 控制計(jì)算上，這樣的分辨率是不夠的，所以我們需要進(jìn)一步獲得具體的溫度精確數(shù)據(jù)，一般采用將 T 與 T+1 之間的電壓差和 AD實(shí)際值 (mv)進(jìn)行定比分點(diǎn)的辦法（更精確的是采用二次插值計(jì)算法）獲得溫度的精確數(shù)值，也就是獲得小數(shù)部分。如果能夠做到 1/10 度的溫度分辨率精度就可以基本滿足控制運(yùn)算要求了，所以我們可以用定點(diǎn)數(shù)的辦法處理。不采用浮點(diǎn)數(shù)是因?yàn)?單片機(jī)的運(yùn)算速度不適合用浮點(diǎn)數(shù)，定點(diǎn)數(shù)處理，就是將溫度的內(nèi)部運(yùn)算單位放大 10 倍。如果想讓我們的控制做得更好，還可以再提高溫度的內(nèi)部精度，例如精確到 1/100 度，這也是現(xiàn)在高級溫控儀常用的精度。 PID 的三個(gè)基本參數(shù) Kp、 Ki、 Kd，一般由試驗(yàn)確定，根據(jù)我