【Servo】现代控制系统中常用的概念之速度环、位置环

位置环和速度环是现代控制系统中常用的概念，特别是在电机控制系统、机器人控制系统和自动化系统中。它们用于描述控制系统如何调节和跟踪目标值，确保系统输出的精确度和稳定性。

1. 控制环概念

在任何控制系统中，通常会有一个反馈环路，这个反馈环路通过对系统输出的监测与比较，调整系统输入，从而使系统达到期望的目标。在控制系统中，通常会涉及多个环路，每个环路专注于控制不同的物理量（如位置、速度、加速度等）。

• 反馈：控制系统通过不断测量输出，将实际输出与期望输出进行比较，计算误差，然后用这个误差来调整控制输入，最终减少误差。

2. 位置环

定义：

位置环控制器（Position Loop）是用来控制系统位置的闭环反馈控制系统。它的目标是将控制对象的当前位置精确地跟踪到目标位置。

工作原理：

• 目标：将系统的当前位置（如电机的位置、机器人手臂的位置等）调整到目标位置。
• 输入：设定目标位置。
• 输出：电机或执行器的实际位置。
• 误差：目标位置与实际位置之间的差异。

位置环通常用于位置控制任务，如电机驱动系统中的位置调节。例如，在伺服电机系统中，位置环会不断调整电机的输入信号，使电机转到设定的角度或位置。

如何理解：

• 如果你希望一个电机的转子准确地转到一个指定的位置（如角度），位置环控制器会监控电机当前位置，并根据误差调整控制输入（电压或电流），以实现目标位置。

位置环控制示意：

• 目标：位置
• 控制量：误差
• 输出：调整电机的位置

3. 速度环

定义：

速度环控制器（Velocity Loop）是用来控制系统的速度的闭环反馈控制系统。它的目标是让系统保持或达到期望的速度。

工作原理：

• 目标：控制物体的速度（例如电机的转速、机器人的移动速度等）。
• 输入：设定的目标速度。
• 输出：实际的速度。
• 误差：目标速度与实际速度之间的差异。

速度环通常应用于需要精确控制速度的任务。例如，在电机控制系统中，速度环通过监控电机的转速并调整输入信号来确保电机的转速跟踪目标速度。

如何理解：

• 如果你希望电机或其他设备以稳定的速度运转，速度环控制器会根据实际的转速与设定转速的差异来调整控制输入（如电流或电压），以保持系统速度稳定。

速度环控制示意：

• 目标：速度
• 控制量：误差
• 输出：调整电机的转速

4. 位置环与速度环的关系

• 位置环和速度环通常是结合使用的，尤其是在电机控制系统中。它们分别控制不同的物理量：位置和速度。
• 位置环控制系统的最终位置，确保系统能够到达期望的位置。
• 速度环则控制系统的速度，确保系统在达到目标位置的过程中，能够按照设定的速度运行。
• 在复杂系统中，位置控制通常依赖速度环控制。换句话说，位置环的控制动作往往是基于速度环的控制。

5. 如何入门

理解位置环和速度环，你可以按照以下步骤来学习：

(1) 学习控制理论基础：

• 学习经典控制理论中的PID控制器。PID控制是位置控制和速度控制中的常见方法。PID控制器有三个部分：比例（P）、积分（I）和微分（D），可以帮助控制系统有效地跟踪目标。
  • 比例（P）：根据误差的大小调整输出。
  • 积分（I）：根据误差积累进行调整，以消除长期误差。
  • 微分（D）：根据误差变化率进行调整，减少系统震荡。

(2) 学习电机控制：

• 电机控制系统（如伺服电机控制）是位置控制和速度控制最常见的应用。可以通过模拟电机控制来理解如何同时控制位置和速度。

(3) 了解嵌入式控制系统：

• 嵌入式控制系统通常使用微控制器（MCU）来处理反馈信号，执行位置环和速度环控制算法。你可以学习如何编程和调试微控制器，实现位置和速度的精确控制。

(4) 使用模拟工具：

• 使用 MATLAB/Simulink 等工具来模拟位置环和速度环控制。你可以构建一个模拟模型，通过调整控制参数，观察控制系统的响应。

(5) 实践：

• 最好的学习方式是通过实践，尝试在真实的硬件系统上实现位置环和速度环控制算法。例如，使用 STM32、Arduino 或其他开发板实现电机控制，编写代码实现 PID 控制器来进行位置和速度控制。

---

小结

• 位置环控制目标是位置，调整控制信号来达到期望的位置。
• 速度环控制目标是速度，调整控制信号来实现目标速度。
• 在很多嵌入式系统中，位置环和速度环常常结合使用，通过不同的反馈机制来确保系统精确地控制位置和速度。

入门的关键是先学习基本的控制理论（如 PID 控制），然后将这些理论应用到实际的硬件系统中，逐步理解和调试位置环和速度环的工作原理。

位置环（Position Loop）和速度环（Velocity Loop） PID 控制器 的例子

在嵌入式控制系统中，位置环（Position Loop）和速度环（Velocity Loop）通常会通过 PID 控制器 来实现。这两个环的作用可以在代码中通过控制误差的计算和调整输出信号来体现。

下面我将给你一个简单的 PID 控制器 的例子，来模拟位置控制和速度控制。假设你有一个电机或其他驱动器，你需要控制其 位置 和 速度。代码中通过 PID 控制器来计算误差并调整控制输出。

1. 位置环控制示例（Position Control）

位置环的主要任务是控制系统最终到达目标位置。

PID 控制器（位置环控制）

#include <iostream>
#include <cmath>  // 用于计算绝对值

// 定义PID控制器结构体
struct PID {
    float Kp;  // 比例系数
    float Ki;  // 积分系数
    float Kd;  // 微分系数
    float previous_error;  // 上一个误差
    float integral;  // 积分项

    PID(float p, float i, float d) : Kp(p), Ki(i), Kd(d), previous_error(0), integral(0) {}

    // 计算控制量
    float compute(float setpoint, float actual_position) {
        // 计算误差
        float error = setpoint - actual_position;
        
        // 计算积分
        integral += error;
        
        // 计算微分
        float derivative = error - previous_error;

        // 计算输出
        float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;

        // 更新上次误差
        previous_error = error;

        return output;
    }
};

// 模拟电机的速度和位置
class Motor {
public:
    float position;  // 当前电机位置
    float velocity;  // 当前电机速度

    Motor() : position(0), velocity(0) {}

    // 模拟电机根据控制输入更新位置
    void update(float control_signal) {
        velocity = control_signal;  // 假设控制信号直接作为速度
        position += velocity;  // 根据速度更新位置
    }
};

int main() {
    // 目标位置（例如：目标位置为100单位）
    float setpoint = 100.0f;

    // 初始化 PID 控制器（Kp, Ki, Kd）
    PID position_pid(0.1f, 0.01f, 0.05f);
    
    // 创建电机实例
    Motor motor;
    
    // 设定控制循环次数
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        // 计算控制信号
        float control_signal = position_pid.compute(setpoint, motor.position);
        
        // 更新电机位置
        motor.update(control_signal);
        
        // 输出当前的电机位置
        std::cout << "Step " << i << ": Position = " << motor.position << ", Velocity = " << motor.velocity << std::endl;
        
        // 如果位置误差非常小，可以停止控制
        if (std::fabs(setpoint - motor.position) < 0.1f) {
            std::cout << "Target position reached!" << std::endl;
            break;
        }
    }
    
    return 0;
}

解释：

• PID 控制器：PID 类用于计算控制输出，它根据设定位置（setpoint）和当前电机位置（actual_position）来计算误差。误差的比例、积分和微分部分决定了最终的控制输出。
• Motor 类：模拟电机，包含位置和速度属性。在每次控制周期中，电机根据 PID 控制信号更新其位置。
• 控制循环：在每次循环中，计算控制信号并更新电机位置。当电机位置接近目标位置时，停止循环。

---

2. 速度环控制示例（Velocity Control）

速度环的任务是控制系统的速度，并确保它达到目标速度。

PID 控制器（速度环控制）

#include <iostream>
#include <cmath>

// 定义PID控制器结构体
struct PID {
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
    float previous_error;
    float integral;

    PID(float p, float i, float d) : Kp(p), Ki(i), Kd(d), previous_error(0), integral(0) {}

    // 计算控制量
    float compute(float setpoint, float actual_velocity) {
        float error = setpoint - actual_velocity;  // 计算速度误差
        integral += error;
        float derivative = error - previous_error;
        float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
        previous_error = error;
        return output;
    }
};

// 模拟电机类
class Motor {
public:
    float velocity;  // 当前电机速度
    float position;  // 当前电机位置

    Motor() : velocity(0), position(0) {}

    // 模拟电机根据控制输入更新速度和位置
    void update(float control_signal) {
        velocity = control_signal;  // 假设控制信号直接影响速度
        position += velocity;  // 根据速度更新位置
    }
};

int main() {
    // 目标速度（例如：目标速度为10单位）
    float setpoint = 10.0f;

    // 初始化 PID 控制器
    PID velocity_pid(0.2f, 0.01f, 0.05f);
    
    // 创建电机实例
    Motor motor;

    // 控制循环
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        // 计算控制信号
        float control_signal = velocity_pid.compute(setpoint, motor.velocity);
        
        // 更新电机状态
        motor.update(control_signal);
        
        // 输出当前速度和位置
        std::cout << "Step " << i << ": Velocity = " << motor.velocity << ", Position = " << motor.position << std::endl;

        // 如果速度接近目标速度，停止控制
        if (std::fabs(setpoint - motor.velocity) < 0.1f) {
            std::cout << "Target velocity reached!" << std::endl;
            break;
        }
    }

    return 0;
}

解释：

• PID 控制器：PID 类用于计算速度控制信号，根据目标速度（setpoint）和当前电机速度（actual_velocity）的误差来调整输出信号。
• Motor 类：模拟电机，速度直接由 PID 控制器输出的控制信号控制。
• 控制循环：每次循环计算控制信号并更新电机速度。直到电机的速度接近目标速度时停止。

---

总结

1. 位置环控制：控制系统的位置，通常通过 PID 控制器来计算目标位置和实际位置之间的误差，并调整电机位置。

2. 速度环控制：控制系统的速度，同样通过 PID 控制器来计算目标速度和实际速度之间的误差，并调整电机速度。