亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        自平衡車串級與并行PID控制方法比較研究

        2021-11-05 07:47:56南京林業(yè)大學(xué)解文周張子璇臺永鵬
        電子世界 2021年17期
        關(guān)鍵詞:期望值內(nèi)環(huán)階躍

        南京林業(yè)大學(xué) 解文周 張子璇 臺永鵬

        兩輪自平衡小車由于其不穩(wěn)定性、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),成為測試控制算法的代表平臺。通過比較在不同的常規(guī)輸入下并行PID控制和串級PID控制自平衡小車的各項(xiàng)響應(yīng),分析兩種控制系統(tǒng)的各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。指出了串級系統(tǒng)相對較優(yōu)秀的抗干擾能力以及并行系統(tǒng)在一定干擾下的良好穩(wěn)定性。

        兩輪自平衡機(jī)器人是典型的倒立擺模型,具有本質(zhì)不穩(wěn)定性、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),成為測試控制算法的代表平臺。針對兩輪自平衡機(jī)器人,目前采用的控制方法主要有模糊控制、自適應(yīng)控制、LQG控制和PID控制等。PID控制是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制策略。它具有原理簡單,易于實(shí)現(xiàn),適用面廣,控制參數(shù)相互獨(dú)立,參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn);而且在理論上可以證明,對于過程控制的典型對象——“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象,PID控制器是一種最優(yōu)控制,但其仍存在易導(dǎo)致大的超調(diào)量和易受到干擾等問題。

        兩輪自平衡機(jī)器人常見的PID控制方法有并行控制和串級控制兩種,目前關(guān)于兩種控制方法之間控制效果比較的研究較少,各自優(yōu)缺點(diǎn)尚不明朗。本文通過對兩輪自平衡機(jī)器人建立動力學(xué)模型,分別搭建串級PID控制系統(tǒng)與并行PID控制系統(tǒng),比較分析了兩種控制方法在不同輸入下的輸出結(jié)果,并指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

        1 動力學(xué)模型

        為了簡易兩輪自平衡機(jī)器人的分析研究,建立其簡化模型,如圖1所示。以車輪軸線為y軸,車體前進(jìn)方向?yàn)閤軸,車軸中點(diǎn)豎直方向?yàn)閦軸,建立坐標(biāo)系。圖中車輪質(zhì)量M為15kg,車體質(zhì)量m為65kg,質(zhì)心到車輪軸線的距離L為0.5m,車輪半徑r為0.3m,Tc為外界給車體的轉(zhuǎn)矩,Iw為車輪的轉(zhuǎn)動慣量,Ib為車體的轉(zhuǎn)動慣量,θ為車體轉(zhuǎn)過的角度,Mb為電機(jī)給車體的轉(zhuǎn)矩,Mω為電機(jī)給車輪轉(zhuǎn)矩,φ為車輪轉(zhuǎn)過的角度,F(xiàn)f為地面給車輪的摩擦力。Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z分 別為車輪對車體施加的力。根據(jù)牛頓第二定律,得出小車動力學(xué)方程如下:

        圖1 動力學(xué)簡化模型

        式中:

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 并行PID設(shè)計

        并行PID控制即對角度和速度兩個不同的控制對象并行控制,各自控制過程分開同時進(jìn)行,然后將控制結(jié)果同時輸出。建立并行PID控制系統(tǒng)模型如圖2所示。使用階躍信號和常數(shù)信號模擬實(shí)際工作中的干擾。同時,小車的驅(qū)動力矩不可能無限大,根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的工作情況,對小車的驅(qū)動力矩設(shè)置一個最大值。系統(tǒng)根據(jù)輸入的角度和速度期望值,測試不同輸入下的系統(tǒng)響應(yīng)。

        圖2 常用的并行PID框圖

        2.2 串級PID設(shè)計

        串級PID控制系統(tǒng)就是將兩個PID控制器串聯(lián)起來,外環(huán)主控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)副控制器的輸入,由內(nèi)環(huán)控制器去操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)(本文即驅(qū)動電機(jī))。內(nèi)環(huán)控制器為外環(huán)控制器內(nèi)的負(fù)反饋系統(tǒng),以外環(huán)控制器為主導(dǎo),將兩個控制器串聯(lián),在干擾未能使外環(huán)控制器發(fā)生作用時,便由內(nèi)環(huán)控制器進(jìn)行“粗調(diào)”,之后再由外環(huán)控制器進(jìn)行“細(xì)調(diào)”,因此串級PID控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。但由內(nèi)環(huán)控制器進(jìn)行“粗調(diào)”的干擾不宜過多,否則時間滯后變大,影響控制質(zhì)量。將角度控制器作為內(nèi)環(huán)控制器,速度控制器作為外環(huán)控制器,同樣在各種輸入下設(shè)置驅(qū)動力矩最大值建立串級PID控制系統(tǒng)如圖3所示。

        圖3 串級PID框圖

        2.3 參數(shù)整定結(jié)果

        在參數(shù)整定過程中通過PID參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式得到相應(yīng)參數(shù)。將經(jīng)驗(yàn)參數(shù)最后代入系統(tǒng)調(diào)節(jié),直至系統(tǒng)在大多數(shù)情況下可穩(wěn)定運(yùn)行,最終得到并行PID控制參數(shù):PID angle:Kp=-1106,Kd=-216;PID velocity:Kp=60,Ki=20,Kd=-35;串級PID控制參數(shù):PID angle:Kp=-180,Kd=-80;PID velocity:Kp=3.2,Ki=0.4,Kd=-0.1。

        3 仿真分析

        3.1 平衡控制

        設(shè)置期望值v=0,θ=0,在階躍信號與恒定力矩Tc輸入干擾下運(yùn)行仿真,得到的響應(yīng)如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,兩種信號輸入下,小車均能在一定時間內(nèi)到達(dá)平衡,但并行PID控制相對于串級PID控制系統(tǒng)動態(tài)性能有了明顯改善。當(dāng)輸入階躍信號時,兩種控制方案達(dá)到平衡時間大致相等,但串級控制系統(tǒng)的角度超調(diào)量和速度超調(diào)量約為0.016rad和0.15m/s,而并行控制的超調(diào)量只有0.006rad和0.09m/s。當(dāng)輸入外界干擾Tc=3N?m時,串級控制系統(tǒng)的角度超調(diào)量和速度超調(diào)量約為0.009rad和2.7m/s,并行控制的超調(diào)量約為0.014rad和0.6m/s,而兩種方案下小車達(dá)到平衡的時間相差不大。

        圖4 階躍輸入下時V=0,θ=0的響應(yīng)曲線

        圖5 Tc=3N?m時V=0,θ=0的響應(yīng)曲線

        3.2 速度控制

        考慮在階躍信號與恒定力矩Tc干擾下,給定不同的速度期望值v=2m/s和6m/s時系統(tǒng)的響應(yīng),如圖6和圖7所示。從圖中可以看出隨著速度的期望值增大,達(dá)到平衡的時間也隨之增長,超調(diào)量也逐漸變大。當(dāng)速度期望值為v=2m/s時,輸入階躍信號,串級控制和并行控制達(dá)到平衡的時間分別為10s和12s;輸入Tc=3N?m,二者達(dá)到平衡時間大致都為15s,但隨著輸入的干擾力矩的不斷增大,串級控制的優(yōu)越性便表現(xiàn)明顯,無論是超調(diào)量還是調(diào)節(jié)時間都小于并行控制。當(dāng)速度期望為v=6m/s時,輸入階躍信號,兩種方案達(dá)到平衡的時間大致都為22s,但串級控制的總體響應(yīng)仍然要較優(yōu)于并行控制;輸入Tc=3N?m,兩種方案的總體響應(yīng)并無太大區(qū)別,但隨著輸入的干擾力矩的不斷增大,由于現(xiàn)實(shí)中驅(qū)動力矩的限制,速度的期望值超過一定值后,驅(qū)動力矩便不足以使系統(tǒng)在滿足速度期望值的情況下達(dá)到平衡。經(jīng)過進(jìn)一步的仿真分析發(fā)現(xiàn),Tc=3.45N?m時,串級控制系統(tǒng)失去平衡,而并行控制系統(tǒng)直至Tc=4.2N?m時才失去平衡。

        圖6 階躍輸入時的響應(yīng)曲線

        圖7 Tc=3N?m時響應(yīng)曲線

        通過并行PID控制和串行PID控制對兩輪自平衡機(jī)器人在不同輸入下的仿真結(jié)果可知,兩種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在外部干擾較小時,串級PID控制由于其內(nèi)外環(huán)控制特點(diǎn),對干擾的抑制能力的到增強(qiáng),控制作用更加及時,系統(tǒng)的各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)均相對更優(yōu)異;若是對系統(tǒng)的速度要求為0時,并行PID控制的表現(xiàn)更好,對系統(tǒng)驅(qū)動力的要求也更低。同時當(dāng)外部干擾達(dá)到一定值時,克服干擾的能力受到影響,串級PID控制系統(tǒng)就會“失穩(wěn)”,而此時并行PID控制系統(tǒng)仍能達(dá)到平衡,換言之,一定干擾范圍內(nèi)串級系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng),而并行PID控制系統(tǒng)對較大干擾的穩(wěn)定性表現(xiàn)更好。

        猜你喜歡
        期望值內(nèi)環(huán)階躍
        博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計的“內(nèi)環(huán)-外循”框架研究
        包裝工程(2023年16期)2023-08-25 11:39:16
        基于階躍雙包層光纖的螺旋型光纖傳感器
        基于改進(jìn)數(shù)學(xué)期望值的瀝青性能評價模型
        石油瀝青(2018年4期)2018-08-31 02:29:40
        探討單位階躍信號的教學(xué)
        重新審視你的期望值
        媽媽寶寶(2017年4期)2017-02-25 07:00:58
        經(jīng)臍兩孔法腹腔鏡腹股溝疝內(nèi)環(huán)高位結(jié)扎加臍外側(cè)襞加強(qiáng)術(shù)治療小兒腹股溝斜疝*(附108例報告)
        經(jīng)臍微型腹腔鏡內(nèi)環(huán)高位結(jié)扎術(shù)聯(lián)合包皮環(huán)套術(shù)的臨床應(yīng)用
        三角模糊型屬性值的期望值比重規(guī)范化方法
        大學(xué)生薪水期望值下降釋放的信號
        一種階躍函數(shù)在矩形時間窗口頻域特性的分析方法
        污污内射在线观看一区二区少妇| 麻豆av在线免费观看精品| 亚洲精品不卡av在线免费| 无码免费无线观看在线视| 中文www新版资源在线| japanesehd中国产在线看| 99JK无码免费| 日本高清一区在线你懂得| 午夜影视免费| 亚洲精品美女久久久久99| 國产AV天堂| 91精品国产综合久久久蜜臀九色| 亚洲女优中文字幕在线观看| 亚洲日韩av一区二区三区中文| 嫩草影院未满十八岁禁止入内| 丰满熟妇人妻av无码区| 黄片国产一区二区三区| 日本动漫瀑乳h动漫啪啪免费| 日韩乱码人妻无码中文字幕视频| 天堂av一区二区在线观看| av国产免费在线播放| 日本丰满少妇裸体自慰| 色视频www在线播放国产人成| 白白色免费视频一区二区| 中文字幕人乱码中文字幕乱码在线 | 久久99久久99精品免视看国产成人 | 少妇高潮流白浆在线观看 | 欧美日一本| 少妇激情高潮视频网站| 少妇扒开毛茸茸的b自慰| 91精品一区国产高清在线gif| 亚洲成aⅴ人片久青草影院| 婷婷综合缴情亚洲| 精品国产爱在线观看| 亚洲国产精品国自产拍性色| 狠狠躁天天躁中文字幕| 伊人网在线视频观看| 国产一区二区三区免费在线播放 | 亚洲精品成人专区在线观看| 色婷婷综合一区二区精品久久| 色哟哟亚洲色精一区二区|