【正文】 統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢。選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生4:1衰減過程為宜。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間對系統(tǒng)性能的影響：積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。太小使，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且震蕩次數(shù)較多；太大時，對系統(tǒng)的影響將削弱；合適時，系統(tǒng)的過度過程特性比較理性。積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。微分時間對系統(tǒng)性能的影響：微分作用的增強可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，如減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間等，適當加大比例控制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；另一方面微分作用會放大系統(tǒng)噪聲，降低系統(tǒng)抗干擾能力。微分環(huán)節(jié)的加入可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差的變化的趨勢進行控制。引進一個早期的修正作用，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 數(shù)字PID算法數(shù)字PID算法為用計算機實現(xiàn)，用數(shù)值逼近和連續(xù)信號離散化實現(xiàn)的PID控制規(guī)律。有兩種實現(xiàn)方式：位置性數(shù)字PID、增量型數(shù)字PID。對于位置式PID算法，由于，位置性數(shù)字PID控制算法如公式(16)所示： (16)對于增量式PID算法，由公式()可知： (17)結(jié)合公式(312)和(313)，可以得到增量式數(shù)字PID控制算法如公式(314)所示： (18)增量式數(shù)字PID算法不需要做累加運算，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算影響較??；位置性數(shù)字PID算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積誤差(王效杰，2006)。 PID控制器設(shè)計本設(shè)計中使用雙環(huán)PID控制實現(xiàn)小車的平衡控制。信號流圖如圖16所示。角度環(huán)PID速度環(huán)PID電機小車轉(zhuǎn)速測量測量傾角測量測量圖16 PID控制流圖本設(shè)計采用雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，用于控制電機輸出，使車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出值保持一致；外環(huán)為角度環(huán)，用于保持小車傾斜角度為0。圖中為系統(tǒng)輸入，即小車傾斜角度的目標值，該值一直為0。為系統(tǒng)角度環(huán)輸出值，即小車電機轉(zhuǎn)速目標值。為輪子轉(zhuǎn)速，為小車實際的傾斜角度。為系統(tǒng)擾動輸入由于本設(shè)計采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調(diào)整小車傾角時電機需要頻繁起制動，對電源功率要求較高，會引起電源較大幅度的擾動，所以在本系統(tǒng)中主要的擾動為電源電壓的擾動。內(nèi)環(huán)PID控制器控制流圖如圖17所示。微分系數(shù)比例系數(shù)積分系數(shù)圖17 速度環(huán)PID控制器控制流圖6 硬件電路 硬件制作與調(diào)試 首先通過Altium Designer畫圖軟件設(shè)計出電路PCB,然后發(fā)去PCB制造產(chǎn)打樣，得到PCB空板。從元器件市場購買所需零器件，將其焊接于打樣所得的PCB空板上。接著分別測試電源電路，主控芯片最系統(tǒng)，傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊是否能正常工作。至此，硬件調(diào)試完成。 硬件調(diào)試結(jié)果 姿態(tài)感知系統(tǒng)測試結(jié)果為了方便測試，將傳感器數(shù)據(jù)通過串口輸出到電腦，用串口波形軟件將數(shù)據(jù)以波形的形式在電腦顯示器上顯示。如圖18是由加速度計測出來的未經(jīng)過濾波處理的角度波形圖。圖18 未經(jīng)過濾波的傾角值波形從圖18中看出，在第7秒之前靜放系統(tǒng)，此時測出來的傾角為0176。，波形基本穩(wěn)定不變，但在7秒后人為搖動電路板，其波形開始發(fā)生劇烈的變化。此波形說明了僅由加速度計計算出來的傾角存在太多干擾，沒法使用。因此，需要一種有效的濾波器接入，濾除非重力加速度成分。而如圖19所示，在加入了低通濾波器和互補濾波器后得到的波形與未經(jīng)過濾波的波形進行比較，很明顯地看出了互補濾波器估計出了一個低噪聲，與傾角值十分接近角度的正值，證明了該濾波器最優(yōu)估計方法有較好的功效。 圖19 濾波效果波形圖 PID控制器測試結(jié)果在獨輪自平衡車的設(shè)計中，最為關(guān)鍵的是確保車體的動態(tài)平衡。通過對PID控制器的調(diào)試，可以驗證控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定與否和算法的有效性。圖20 平衡測試曲線由圖20可以看出，獨輪自平衡車在初始傾角為20“左右時，經(jīng)過1秒鐘的振動后迅速趨于平衡狀態(tài)，然后車的傾角就不繼續(xù)大范圍的震蕩，證明了控制器的有效性。為了驗證PID控制器作用下獨輪自平衡車對外部影響的控制能力的魯棒性，對電動車施加外作用力，它的響應(yīng)干擾的姿態(tài)曲線圖如21所示。電動車在受到突然施加的外作用力時，在3秒鐘內(nèi)可以馬上回復到初始平衡，表明PID控制器實時性可以達到設(shè)計的要求，系統(tǒng)抗外力干擾的性能得到了檢驗。由圖21的數(shù)據(jù)我們可以看到，在獨輪自平衡車遇到外部施力情況時，陀螺會感受角度的異常變化，主控制器根據(jù)陀螺的信號，在異常發(fā)生后，將獨輪自平衡車調(diào)整回原來的角度。圖21 獨輪自平衡車魯棒性抗擾能力測試曲線7 結(jié)論本設(shè)計的研究對象為兩輪自平衡小車。它的運動方程具有多變量、非線性、強耦合、時變、參數(shù)不確定性等特點，是一種理想的控制理論和控制技術(shù)研究的實驗平臺。兩輪自平衡小車具有體積小，運動靈活的特點，適用于狹小和危險的環(huán)境下工作。兩輪自平衡小車的設(shè)計關(guān)鍵在于解決小車在空載、負荷、前進、后退、旋轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)下小車的控制策略問題。本設(shè)計所完成的工作和所取得的結(jié)論如下：完成了兩輪自平衡小車硬件電路的設(shè)計，通過實驗驗證了硬件電路基本滿足系統(tǒng)的要求。設(shè)計了互補濾波器，通過對加速度傳感器和陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)的融合處理，得到一個小車傾角的最優(yōu)近似解，便于控制器處理。設(shè)計了雙環(huán)PID控制器，通過實驗的方式驗證了算法基本滿足設(shè)計要求，完成小車的自平衡控制。但是，由于本人知識有限，以及開發(fā)設(shè)備等條件限制，本設(shè)計還存在以下不足的地方：由于傳感器精度有限，而且選用的陀螺儀傳感器存在過沖現(xiàn)象，導致小車抗干擾能力不足。在后續(xù)改進過程中應(yīng)當提高傳感器進度，克服傳感器過沖問題。本設(shè)計中使用的電機齒輪間隙較大，導致小車在平衡點附近持續(xù)抖動。后續(xù)改進中應(yīng)當使用其他齒輪間隙較小的電機作為驅(qū)動。本設(shè)計僅僅完成了小車的自平衡控制，功能過于單一。在后續(xù)改進中可以加入轉(zhuǎn)彎、自動導航等功能。23參 考 文 獻胡春亮. 綠色交通工自平衡車[J]. 中國發(fā)明與專利，2005，10(2)：9091.張志強. 基于STM32的雙輪平衡車[J]. 電子設(shè)計工程，2011，35(2)：1116.馮智勇，曾瀚，張力等. 基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J]. 西南師范大學學報(自然科學版)，2011，24(4)：1215.謝芳，楊紅果. 數(shù)字PID改進算法的分析與實現(xiàn)[J]. 焦作師范高等?？茖W校學報，2010，21(02)：1316 .楊德剛，姜磊，賈文杰. 數(shù)字PID與其算法改進的研析[J]. 中國科技信息，2010，10(14)：1215 .王效杰. 基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學， 2006，10(13)：2326.康少華，王愛榮，[D].軍事交通學院，2011.張三川. 兩輪自平衡電動車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析[J]. 鄭州大學學報，2010，3(1)：2122.附 錄主控板原理圖姿態(tài)檢測小板原理圖電機驅(qū)動原理圖致 謝我向我的同學和各位老師表示誠摯的感謝！26