掌上单片机实验室 — 检验自整定效果（12）

一、背景

        上一步完成的 PID 自整定库的使用，效果不错，虽说有点曲折，但最终搞定。总体而言，在分享的PID-AutoTune 库基础上，可以实现 PID 参数自整定，关键是通过这个过程初步理解的自整定的概念和实现方式，对后续应用 PID 调节时，整定参数有了比较大的信心，这次是针对小车直流电机调速，下次想换一个不同场景，看看这种方式是否可行，如果可以，那就说明这套自整定的逻辑是成立的！

        这一步检验一下小车的调速效果，看看自整定是否能给出较好的PID参数。

二、目的

        基于前一步实现的自整定方式，用于整定小车的电机PID调速参数，实现小车电机定速转动，从而为后续小车可控运行打下基础。

三、测试方式、过程

3.1 硬件准备

        前一篇已说过：由于所用的 7 号镍氢充电电池放置了快 10 年，现在几乎无法正常放电，经过激活后，短路电流从约0.5A升到大约1.5A，勉强能用。

        小车的供电电路如下：

         原来设计时是考虑到电机启动和堵转瞬间会有较大电流，故使用电池直接给电机驱动H桥供电（电路中标号BAT），但所用的电池由于久置内阻太大，带负载后电压极剧跌落，导致电机无法正常工作。

        正好手头有DC-DC升压模块：

        在BAT输出上串入此模块，期望能稳住输出。增加后略有改善，但电机转动后，还是会从5V跌落到3V左右。前面尝试自整定功能时，就要基于此状态。

        由于想尝试用锂电池供电，所以不太想买新的镍氢电池。目前锂电池逐渐成为主流，原设计选择镍氢电池是考虑比锂电池安全，现在锂电池已经比较安全。

        用于电机驱动需要使用动力电池，即可以大电流放电的。选择的是用于模型飞机的聚合物锂电池，号称可以 10C 放电：

        电池尺寸正好可以放置在原来小车的电池仓中，但原来的充电电路是针对镍氢电池设计的，改为锂电后，需要改变为4.2V恒压充电。分析上述供电电路，做了以下修改：

        1、将R11、R12、R13拆除，脱开原来的充电回路。

        2、R13短路，将充电输入直接接入D2。

        3、将D2换为 1N4007，充电电压改为标准5V，使用手机充电器，经过二极管 1N4007降压后，正好接近4.2V。

        4、充电电源改用标准的手机充电器。

        经过这样简单修改，原来的供电电路即可使用。BAT输出增加的DC-DC升压模块保留，正好弥补锂电池输出电压偏低的问题，输出调节到5V。

        完成后，测试了一下，效果很好。开始基于此重头开始完成自整定过程。

3.2 PID 参数自整定

        前面一篇已经搞清楚使用 PID 自整定库的操作顺序：

        1）使用PWM输出确定速度范围和判断线，以及产生速度震荡的PWM摆幅。

        2）按所得到的上述数据设定自整定工作参数，启动自整定，两侧电机分别执行。

        由于两侧电机特性、结构差异，故考虑两侧的PID参数分开整定。

        在执行整定前还发现 MCU 程序的一个 bug：PID调速忽略了负值，因为我设计时将负值定义为反转，但 PID 算法必须是速度绝对值！此篇所附程序已修改。

        单侧运转整定，小车原地打转，可以放置在桌上：

自整定参数过程

        左侧自整定过程：

        右侧自整定过程：

 

 

 

 

        得到两组PID参数，将其放入程序，观察效果如何？

3.3 检验效果

        直接将上述整定得到的参数作为程序的默认PID 参数：

 

 

        先看一下记录的速度及对应PWM波形：

        1、左侧速度 200mm/s：

        2、左侧速度400mm/s：

        3、右侧速度 200mm/s：

         4、右侧速度 400mm/s：

        图中红色直线为设定速度，红色曲线为实际速度，绿色曲线为PWM值。

        从上述图中可以清晰看出：速度很快就围绕设定值以一个固定的偏差波动了，波动幅度应该是小车的驱动特性所致，一是码盘分辨率偏低，虽说20ms刷新一次速度，但测得的速度实际是较长时间的平均值。此外转动机构的阻力变化较大，处于波动状态，这个从前面固定PWM输出时的速度变化就可以看出。

        低速时的过冲是由于我在程序中设置了固定的启动PWM （60%），同时为了避免开始速度变化过大，倍频算法有误，延时了10个脉冲后才启动测速和 PID；这个在波形中可以清晰地看到，如果想获得更好的效果，可以根据设定速度选择启动PWM。

        上述的速度波动是否会影响调速的效果呢？

        用走直线的方式可以大致验证一下，如果两侧速度都能较好的运行在设定速度下，那小车应该走的是直线，将左右侧速度均设置为300mm/s，运行1000mm：

PID 自整定参数验证

        从视频中可以看出：开始时由于两侧是固定PWM驱动，小车跑偏了一点，之后PID投入，小车基本走的是直线，到结束时，由于两侧是脉冲计数控制的，故没有走完的一侧继续，小车又回正了。

        通过这个视频可以看出：

        1、PID调速后的实际运行效果不错，速度波动影响不大。

        2、程序所设置的定距离控制精度还行。

四、结语

        通过这步验证，我对 PID 的运用十分有信心了，后面想尝试一下走轨迹的PID控制效果，即：将小车走的轨迹作为PID的设定值，通过改变左、右两侧的速度差，实现轨迹跟踪。

        这个场景和调速略有区别，看看自整定方式是否可行。

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文中程序下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/16-V7hRcgnQXPdn1mZvCVDg

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