充電一下 -- PID控制原理

在機器人的控制方法中

PID理論是被廣泛應用的

然而什麼叫PID?



可以參考一下這篇文章

PID控制的原理



文章中所提到的內容比較偏理論

讓我用實際動作的概念再解說一次



就拿最近在進行的SERVO測試當範例好了

SERVO的動作就直覺來看

就是我送給它PWM的寬度多少

它就停在對應的角度上

對吧?!



假設SERVO現在的位置在90度

而我送了一個1.5mS的信號要他回到0度

以PID的概念來解說

它會怎麼動作呢?



1. 比例控制(P)

如果用比例控制(P)

意思就是當誤差值有多大

我的驅動信號就送多大

現在是角度相差90度

所以我驅動信號就全開

(以PWM來說就是duty 100%)



過一小段時間後

我們會持續檢查SERVO現在的角度

如果第二次檢查發現它已經停在45度的位置了

所以驅動信號就變成原來的一半

(duty 50%)



等到SERVO停到定位了

因為沒有誤差了

所以驅動信號就關掉了....



2.比例控制(P) + 積分控制 (I)

不管是I或是D的控制

都必須搭配P的控制來進行

單純的I與D控制是沒有意義的

因為沒辦法將誤差值縮小

所以談到I控制

也就是談PI控制的意思



在SERVO中

PI控制很少用

因為當誤差進入0 之後

很少有機會自己把誤差值變大!!

也因此很多控制器並沒有加上這樣的控制方法

然而

當SERVO因為負載變動的關係

讓定位進入一種來回振盪的情況時

加入PI控制才能抑制這樣的現象



I的控制就是不斷地將振盪時產生的誤差累積

乘上一個積分常數後

產生一個驅動信號來逼近0誤差的位置



3.比例控制(P) + 微分控制(D)

文章中有提到

在慣性力遲滯現象較明顯的系統

一定要用PD的方式進行控制

原因在於驅動信號的增減效果並不會立即反應在動作上

如果按照比例的概念控制

會導致SERVO進入誤差0的位置時

系統還持續原來的慣性力

讓誤差加大

因為先前的驅動信號能量來得比較晚



拿原來P控制的例子

開始是90度

目標是0度

一開始全開duty 100%

第二次再檢查誤差的時候

發現是60度

然而依比例的概念

此時應該已經到達45度的位置

這就是系統的能量遲滯的效果

如果您根據原來P的概念

繼續送給它duty 67% (2/3) 的能量

那麼它就會多出 17%的能量

在越靠近誤差0的時候釋放出來!!



所以此時可以觀察誤差變化量

乘上一個微分常數

將多出來17%的能量拿掉

如此一來

SERVO就可以順利進入誤差0的位置

而不會衝過頭了!!!



4.比例控制(P) + 積分控制(I) +微分控制(D)

前面已經介紹過P, I, D 控制的方法

在什麼情況下會將這三種控制同時用在一個系統上呢?

就是系統具有慣性遲滯現象

同時負載又隨時在變動的系統!!!



一般來說

只是控制單一個SERVO

負載往往是固定的

可是機器人身上的SERVO一掛就是好幾個

當某幾個SERVO同時運作的時候

會產生機器人本身的動量負載改變

此時就不能再用固定負載的觀念來控制SERVO

不然機器人動起來就會卡卡不順



這時候

高階一點的SERVO或許一樣不會加入PID的控制

它還是原有的PD控制系統

管好自己的慣性力就好

但它會設法將位置回授給您的主控制系統

讓您的系統來計算這個動量的改變

進而把I的控制也加到系統中



這也就是KONDO SERVO與Hitec SERVO之所以會這麼貴的原因了!!!





以上

雖然還是純理論的敘述

但是我用比較實用一點的應用來說明

希望大家有聽懂....

如果我有說錯的地方

也請不吝批評指教



套句柯南常說的名言

真相永遠只有一個!!!