任务3.6 车速PID控制功能开发-学生手册

任务3.6车速PID控制功能开发-学生手册【任务导入】随着现代汽车工业的飞速发展，汽车的安全性和舒适性成为了人们关注的焦点。在众多的汽车控制系统中，车速控制无疑是其中最为关键的一环。它直接关联到驾驶者的行车体验以及车辆在道路上的行驶安全。而PID（比例-积分-微分）控制作为一种经典且广泛应用的控制算法，其在车速控制系统中的开发与应用，更是值得我们深入探讨和实践的课题。假设你是某家线控底盘解决方案供应商的测试工程师，需要对线控驱动系统车速PID控制功能进行开发，你应该如何完成这项任务？并如何对开发的车速PID控制功能进行测试?提示：此次任务我们将从理论到实践，全方位地了解PID控制算法在车速控制系统中的应用提示：此次任务我们将从理论到实践，全方位地了解PID控制算法在车速控制系统中的应用，通过编写车速PID控制的程序，完成车速PID控制功能的开发，并对开发后的结果进行测试和调参。

【学习目标】素质目标根据线控驱动系统的控制开发过程，引导学生以不同的方式完成任务要求，培养学生的创新思维和逻辑思维；在任务验证过程中，培养学生精益求精，严谨认真的工匠精神；在任务实施过程中，强调团队合作的重要性，培养学生的团队合作精神。知识目标能解析PID控制的定义和特点[K41]；能阐述PID控制的原理和参数整定方法[K42]。能力目标能通过编写程序，完成车速PID控制功能的开发[A39]；能使用上位机等工具，对开发后的结果进行测试和调参[A40]。【知识准备】一、PID控制的定义比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节，PID即Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三个单词的缩写。所以PID控制是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制策略，它是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，如REF_Ref170823875\h图3-6-1所示。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性强和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC1PID控制PID控制是根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或得不到精确数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，在实际应用中，既可以单独使用（P，I，D），也可以两个两个用（PI，PD），也可以三个一起用（PID）。二、PID控制的原理1.比例控制（P）比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温100度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个公式：u(t)=e(t)*Kpe(t)=r(t)–y(t)r(t)：设定值e(t)：误差值y(t)：反馈值u(t)：输出值Kp：比例系数滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。也就是如果设定温度是200度，当采用比例方式控制时，如果P选择比较大，则会出现当温度达到200度后输出为0后，温度仍然会止不住的向上爬升，比方说升至230度，当温度超过200度太多后又开始回落，尽管这时输出开始出力加热，但温度仍然会向下跌落一定的温度才会止跌回升，比方说降至170度，最后整个系统会稳定在一定的范围内进行振荡。比例环节的作用是对偏差瞬间做出反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态误差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静态误差小而又稳定的效果。2.比例积分控制（PI）积分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也就是PI控制。其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下：u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+u0u(t)：输出Kp：比例系数Ki：积分系数e(t)：误差u0：控制量基准值（基础偏差）积分项是一个历史误差的累积值，如果光用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值，要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题。比方说一个控制中使用了PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上Ki后会在输出的比重中越占越多，使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的。3.PID控制实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制的基础上加入微分环节，形成PID控制，其完整的公式如下：u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)–e(t-1)]+u0微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。三、PID控制参数整定PID控制参数整定也叫参数调整，是控制系统设计的核心内容。它是通过调整控制参数（比例系数、积分系数/时间、微分系数/时间）让系统达到最佳的控制效果。1.PID控制参数整定方法PID控制参数整定方法很多，概括起来有两大类：（1）理论计算整定法它主依据系统数学模型，理论计算确定控制参数。这种方法得到的计算数据未必可以直接用，还必须工程实际进行调整和修改。（2）工程整定方法它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行，且方法简单、易于掌握，工程实际中被广泛采用。2.PID控制参数整定步骤（1）先仅加入比例控制，关闭I和D（也就是系统设为0）。逐渐加大比例系数，使控制对象产生振荡。（2）减小比例系统，找到控制对象的临界振荡点。（3）再加入积分控制，逐渐加大积分系数，使控制对象达到目标值。（4）观察超调量、振荡和稳定时间是否吻合要求。根据超调量和振荡的情况适当增加微分控制，逐渐加大积分系数，同时改变比例系数和积分系数，直到得到满意的控制效果。四、PID控制的特点1.PID控制的优点（1）原理简单，使用方便由于不需要知道系统的模型，仅仅根据反馈量进行调节，新手能够很好地上手。调节参数也是只有三个，调节起来比较简单。（2）适应性强根据反馈量的不同，可以设计出不同的PID控制器，控制的也是反馈量，也就是偏差，使之偏差为零，这个反馈，可以是速度，也可以是位置等。广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式。（3）鲁棒性强其控制品质对被控对象的特性变化不太敏感，系统鲁棒性强。2.PID控制的缺点（1）PID控制方法非常适用于单输入单输出系统，当系统较复杂，如针对多输出多输出系统时，PID控制器设计是较难的。（2）比如自动驾驶的横向轨迹跟踪控制，一套PID参数难以覆盖所有的工况，在不同的应用场景下，PID的参数应该是不同的，因此，PID的参数应该是与系统工况有关的MAP图，通过查表获取PID参数，但是MAP图的标定过程相当复杂且耗时。【任务实施】一、实施准备1.工具设备清单表3-6-SEQ表3-6-\*ARABIC1工具设备清单分类名称数量图例实训设备线控底盘1套测试电脑1套CAN分析仪1套BDM下载器1套千斤顶1台防护用品工作服1套安全帽1个工作手套1双辅助材料无纺布1张2.检查设备（1）穿戴好工作手套和安全帽，将工具设备等摆放在工位上。（2）检查线控底盘外观是否正常，内部零件是否齐全，线束连接是否正常。（3）用千斤顶举升线控底盘后轮，使后轮离地。（4）检查测试电脑外观是否正常。（5）检查CAN分析仪外观是否正常无破损。（6）检查BDM下载器外观是否正常无破损。3.连接设备（1）连接CAN分析仪将车辆外接CAN0接口连接到CAN分析仪CAN1通道，如REF_Ref170823897\h图3-6-2所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC2连接CAN分析仪通过拨码开关，将CAN1的终端电阻R1拨到ON的位置，如REF_Ref170823904\h图3-6-3所示，接入终端电阻。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC3接入终端电阻使用USB连接线将CAN分析仪连接到测试电脑。（2）连接BDM下载器拆卸VCU的两颗固定螺栓（如REF_Ref170823919\h图3-6-4所示），并拆卸VCU底板两颗固定螺栓（如REF_Ref170823924\h图3-6-5所示）。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC4VCU固定螺栓图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC5VCU底板固定螺栓连接BDM下载器和VCU，如REF_Ref170823944\h图3-6-6所示，注意连接器的方向。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC6连接BDM下载器和VCU使用USB连接线将BDM下载器连接到测试电脑。4.启动设备（1）旋开“12V供电”开关和“急停”开关，并拉起“48V供电”开关，启动车辆，开关如REF_Ref170823951\h图3-6-7所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC7车辆启动开关（2）长按遥控器的电源键（左右各一个，同时长按3秒），如REF_Ref170823962\h图3-6-8所示，启动遥控器。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC8启动遥控器（3）将遥控器最右侧SWD拨杆开关往下拨动，进入遥控驾驶模式，如REF_Ref170823968\h图3-6-9所示。(注意：需将遥控器的拨杆SWB拨到中间位置，关闭转向灯)图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC9进入遥控驾驶模式（4）按下测试电脑的电源开关，启动测试电脑。二、车速PID控制功能开发实施车速PID控制功能开发的任务要求：利用PID控制算法，通过编写程序和调整相关参数，实现车速的稳定控制。1.编写车速PID控制程序（1）打开代码文件在“MCU_Program/drive”文件夹中，双击打开drive_control.c文件，如REF_Ref170823976\h图3-6-10所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC10drive_control.c文件（2）编写代码根据代码文件中的中文注释中的任务要求，完成代码的编写。1）编写代码，定义一个Float32类型的变量TargetSpeed，并将其初始化为0，即要下发给底层的速度。2）编写代码，定义一个PID_LocTypeDef_Drive类型的结构体变量PID_Speed，并将其初始化为{0,0}。3）编写代码，定义一个指向PID_LocTypeDef_Drive类型的指针Ptr_Speed，并将其指向PID_Speed变量的地址。4）编写代码，实现增量式PID计算。5）编写代码，实现PID初始化。6）编写代码，实现初始化函数。（3）保存代码文件完成代码编写后，按“Ctrl+S”保存代码文件。2.初步调整PID参数（1）设置嵌套PID模式在drive_control.c文件中，将嵌套PID的参数（如REF_Ref170823985\h图3-6-11所示）修改为1，使用嵌套的PID，否则无法实现PID速度限制。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC11嵌套PID的参数修改完成后，按“Ctrl+S”保存代码文件，并关闭文件。（2）调整PID参数在“MCU_Program/drive”文件夹中，双击打开drive_control.h文件，如REF_Ref170823991\h图3-6-12所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC12drive_control.h文件在drive_control.h文件中，调整KP、KI的参数，如REF_Ref170824000\h图3-6-13所示。参数值一般采用经验法。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC13KP、KI的参数（3）调整PID限速值在drive_control.h文件中，根据需求调整PID控制输出的最低车速值和最高车速值（实训时建议小于等于25km/h），如REF_Ref170824006\h图3-6-14所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC14PID限速值调整完成后，按“Ctrl+S”保存文件，并关闭文件。3.固件烧入在测试电脑桌面双击“program.mcp”快捷图标，进入“FreescaleCodewarrior”主界面，如REF_Ref170824016\h图3-6-15REF_Ref170136897\h所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC15“FreescaleCodewarrior”软件单击“Debug”，在弹出的“USBDMConfiguration-HC12”弹窗中，单击“OK”，如REF_Ref170824021\h图3-6-16所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC16运行Debug等待进度条（如REF_Ref170824027\h图3-6-17所示）完成之后，进入烧录界面。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC17进度条单击“运行”按扭（绿色箭头），进行固件烧入，如REF_Ref170824033\h图3-6-18所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC18单击“运行”按扭注意事项：禁止在固件烧入的时候给车辆充电。4.在线查看PID参数固件烧入完成后，在“FreescaleCodewarrior”主界面，双击“Data:1”（如REF_Ref170824039\h图3-6-19所示），进入查看参数界面。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC19双击“Data:1”右键单击空白区域，选择“OpenModules”，如REF_Ref170824045\h图3-6-20所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC20选择“OpenModules”在“Modules”窗口，选择“drive_control.c”文件，再单击“OK”，如REF_Ref170824053\h图3-6-21所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC21选择“drive_control.c”文件再次右键单击空白区域，选择“mode”，再选择“periodical”，如REF_Ref170824058\h图3-6-22所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC22选择“periodical”在弹出的“UpdateRate”窗口中，将数值改为1，再单击“OK”，如REF_Ref170824064\h图3-6-23所示，实时更新显示的变量值。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC23“UpdateRate”窗口在查看参数界面，单击“PID_Speed”可以看到实时更新显示的PID参数，如REF_Ref170824068\h图3-6-24所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC24在线查看PID参数5.车速PID控制测试及PID调参（1）启动连接上位机1）双击测试电脑桌面上的驱动测试上位机图标，如REF_Ref170824074\h图3-6-25所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC25驱动测试上位机2）单击“打开设备”，再单击“启动CAN”，再单击“开始”，如REF_Ref170824115\h图3-6-26所示，打开上位机。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC26打开上位机（2）进入自动驾驶模式1）单击“观测模式”，切换为控制模式，并单击“油门/制动未使能”，使能油门/制动，如REF_Ref170824121\h图3-6-27所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC27切换控制模式2）按下遥控器后面的“遥控/自动模式切换开关”（如REF_Ref170824138\h图3-6-28所示），进入自动驾驶模式（如REF_Ref170824144\h图3-6-29所示），此时车辆双闪灯闪亮。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC28遥控器“遥控/自动模式切换开关”图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC29自动驾驶模式（3）设置控制参数步长输入并选择15（以预期车速为15km/h为例说明），挡位选择“D”挡，如REF_Ref170824171\h图3-6-30所示。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABIC30设置控制参数（4）开始测试在驱动控制界面，单击油门增大按钮，如REF_Ref170824178\h图3-6-31所示，此时车轮开始转动，车速逐渐达到预期车速。图3-6-SEQ图3-6-\*ARABI