机器人云台控制中的PID技术应用

常周林

（广东科技学院 机电工程系 广东 东莞 523083）

机器人云台控制中的PID技术应用

常周林

（广东科技学院 机电工程系 广东 东莞 523083）

PID是控制理论中一种最主流的控制算法，其优点就是简单高效，很多高级的控制算法也都是在PID的基础上进行优化和演变而来。在比赛机器人控制系统中，PID 被应用在很多场景下的运动状态控制。运用PID技术控制机器或是机器人，系统可以通过MATLAB仿真验证PID的控制效果。

机器人；云台控制；PID实现

1 PID简述

在日常生活中，我们每家每户都有用的恒温电器。比如空调、冰箱和电磁炉等，这些电器都能够将自己的工作环境稳定在某一个温度。我们设置空调为26℃，它就能将室内温度保持在26℃左右而不会是16℃；设置电磁炉为180℃，它也不会烧到280℃。这背后其实隐藏的，是一双无形的手在控制着它们的工作，那就是PID（Proportion Integration Differentiation）控制技术。

2 机器人云台控制原理

在RoboMaster比赛中，为了让机器人的枪口可以在一定角度内自由调整，同时为了保证在不平坦的场地运行时，发射机构能尽量稳定，就会在机器人的底盘上加装一套云台。赛场上的云台大多数是由无刷电机驱动的。通过改变电机的电流大小，可以调整电机运行的速度；通过改变电机的电流正负，可以调整电机的转动方向。同时，电机内部还有传感器在记录电机的转动位置，再加上一定的算法处理，就可以知道云台应该摆在哪个方向，也就是实际角度值。知道了实际角度，机器人身上的控制器（主控）再发送电流值给云台电机，云台就可以接近完美地摆到目标角度。

如果给云台电机发送很大的电流值，云台就可以快速往指定的方向运行，但这样很容易刹不住车，超过预期的目标位置；如果发送的电流太小，又会导致云台行动慢吞吞，跟不上大能量机关的数字刷新。因此，还要平衡云台的速度和精确度。有效的办法就是，根据距离目标值的远近来调节云台的速度，离得远就转快一些，离得近就慢一些。这样就需要我们实时获取云台当前的实际角度，然后和目标角度做对比，根据差值来动态地调整云台的速度和方向。只根据上述的参数来调节还不足以达到云台控制的理想性能，为了让云台实现快速响应、减小误差、消除扰动，在实际控制过程中我们需要使用PID控制器。

云台运动一般采用闭环控制系统，控制原理如图1所示。主控获得云台电机的实时位置和目标位置后，告诉云台电机应该怎么走。云台的实际坐标被陀螺仪/编码器（检测装置）记录下来实时发送给控制器（主控），控制器获知目标坐标后，通过计算得出目标电流值发送给云台电机，云台电机就运动一定角度。电机运动云台实际坐标会改变，主控就知道接下来还差多少角度，再计算发送电流值，如此循环。

图1 闭环PID控制系统原理图

一般机器人比赛中的 PID 控制算法侧重于软件实现。在赛场上，PID 也同样被应用在很多场景下的机器人状态控制。下面是用PID 技术来控制云台的软件实现方法。我们可以用伪代码描述一下其三个环节的工作：

{

本次误差=目标值-实际值

P输出o=Kpo*本次误差

I输出o+=oKi*本次误差

D输出o=Kdo*（本次误差-上次误差）/*由于软件实现是个离散的，故用差分代替微分*/

PID输出=P输出+I输出+D输出

上次误差=本次误差o/*每次循环结束前记得更新上次误差值哟～*/

}

3 云台PID控制算法仿真

在MATLAB中的Simulink组件中，可以找到用来仿真含有PID的系统，下面我们通过一次仿真验证PID的控制效果。

在PID控制器中仅改变Kpo的值，Kd、Kio保持为0，如图2所示，通过示波器波形我们可以发现：

图2 改变Kp 时控制系统仿真波形图

通过调节oKpo我们可以改变系统的响应速度及系统的稳态误差，随着oKpo的增大，系统相应速度加快，静态误差也逐渐减小。听起来似乎oKpo是越大越好，其实不然，Kpo的增大时系统的截止频率随之增大，但相频特性不受oKpo影响，因此系统的相位裕度也会随之减小，系统稳定性减弱。

由于仅仅有比例环节无法消除系统静态误差，我们给系统加入积分环节。保持oKp=10，Kd=0，改变oKio的值，如图3所示。

图3 改变Ki 时控制系统仿真波形图

通过示波器波形我们可以看到oKi过小时消除稳态误差所需时间较长，而oKi过大时则会引起系统振荡。积分环节可以提高系统类型，消除稳态误差，但同时积分环节引入了-90°相位，降低了系统的稳定性，Kio调节不当时甚至会造成系统不稳定。

最后我们加上微分环节，保持oKp=10，Ki=10，改变Kdo的值，如图4所示。

图4 改变Kd 时控制系统仿真波形图

由示波器波形我们可以看出提高oKdo加快系统的动态响应，但是oKdo过大时在系统进入稳态后会放大噪声，减小系统的抗干扰能力。

4 结语

由于PID结构简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，是迄今为止自动控制中应用最为广泛的控制方法。从近在身边的空调温度调节，到远在太空的宇宙飞船，都离不开PID。PID算法是最为经典的控制理论，也是一种朴素简单却非常实用的算法。

[1]姚俊，谢克明.自动控制原理[M]电子工业出版社，2004年.

[2]张锡忠.浅析机电自动控制技术的应用[J].机电信息，2012(03).

[3]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真[M]西安电子科技大学出版社，2004年.

[4]王科.自动控制技术的现状及发展趋势[J].中国科技信息，2011(20).

TP242 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0061-03