Настройка хитрого ПИД регулятора, для электронного дросселя Опции

[K.Viktor]

Здравствуйте!

Возможно, кто-нибудь из вас сталкивался с подобной проблемой.

Проблема вот в чем. Делаю блок управления электронным дросселем автомобиля. По сути это сервопривод с коллекторным мотором, понижающим редуктором и датчиком (переменный резистор) на выходном валу. Конструкция, аналогичная авиамодельной сервомашинке - только в 10 раз мощнее.

Соответственно, мотор заслонки управляется с микроконтроллера при помощи ШИМ сигнала.

Реализован "классический" алгоритм ПИД-регулятора, вот кусок си-кода:

Код

en0=angle - servo_pos;
integral_term = SumE / 73.5;                    // Divide by the sampling frequency
derivative_term = en0 - en1;
integral_term = integral_term * ki;            //  Ki
derivative_term = derivative_term * kd;        // Kd
Cn = en0 + integral_term + derivative_term;    // Sum the terms
Cn = (Cn * kp);                         //Kp
en1 = en0;

Где, angle - требуемое положение, servo_pos - фактическое положение сервы
сооветственно Cn - выход на ШИМ, ki kd kp - коэффициента ПИДа.

Алгоритм работоспособен, заслонка поворачивается и с хорошей точностью попадает на заданное положение.

НО. У нее есть как-бы люфт. То есть, если нажать на заслонку пальцем - она сначала поворачивается, потом из-за накопления ошибки I-звена плавно возвращается на заданное положение. Такое ощущение что недостаточно большой коэффициент P.
Но проблема в том, что любое дальнейшее увеличение любого коэффициента приводит к "раскачке" системы - возникает довольно длительный переходный процесс, или вообще незатухающие колебания.
Так же был опробован "частотный" метод подбора коэффициентов ПИДа - безрезультатно. Заслонка работает, но есть "люфт".

Проблема не в "механике". Точно на той же плате и заслонке абсолютно нормально работает "заводской" софт, у заслонки "люфта" нет вообще. То есть, проблема явно в реализации алгоритма.

Подскажите, пожалуйста - в какую сторону копать... Вообще, применим ли пид в подобных системах?

[K.Viktor]

Сдаётся мне никто не будет разбираться с вашим замечательным кодом.

Это обычный PID. В коде ошибок нет, т.к. на нем нормально работают несколько других алгоритмов - например, положение регулятора холостого хода, стабилизация давления наддува и т.п. То есть в работоспособности кода сомнений нет.
Вопрос в том, применим ли "классический" пид для такого сервопривода.


попробуйте добавлять шумы к servo_pos, когда заслонка почти закрылась

Спасибо, сегодня попробую!

Вот попробуйте приложить постоянную силу к заслонке... Или пружинку. Или током...

В заслонке уже стоит пружина, довольно мощная. При снятии питания заслонка принудительно закрывается на угол, соответствующий оборотам при 30кмч на второй передаче.

3. Скорость лучше извлекать из противоЭДС двигателя.

Нереально. Стоит задача повторить "заводской" алгоритм управления, используемый в серийных авто. Там аппаратная часть вполне определенная, и не подразумевает измерение противо-ЭДС.

Попробуйте сначала убрать интегральный член.
Почитайте у Microchip application note по поводу управления перевернутым маятником...

Без интегрального члена возникает ошибка, связанная с наличием пружины. То есть переходный процесс при закрытии заслонки имеет другую форму чем при открытии. С интегралом все одинаково.

Собственно, кусочек кода в первом сообщение это и есть микрочиповский код

[SergCh]

Это обычный PID. В коде ошибок нет, т.к. на нем нормально работают несколько других алгоритмов - например, положение регулятора холостого хода, стабилизация давления наддува и т.п. То есть в работоспособности кода сомнений нет.
Вопрос в том, применим ли "классический" пид для такого сервопривода.

Так я не сомневаюсь что сама программа рабочая, я сомневаюсь в том что параметры "обычного" пида выбраны верно.

[Andron55]

Так я не сомневаюсь что сама программа рабочая, я сомневаюсь в том что параметры "обычного" пида выбраны верно.

Совершенно верно.
Прежде, чем бросаться крутить ручки втёмную желательно познакомиться с объектом управления.
Нужно узнать его Ке, электрическую и электромеханическую постоянные.
По ходу ознакомления нарисуются Lя – индуктивность якоря, Rя – сопротивление якоря.
Если механическая и электрическая постоянные разнесены на порядок, то объект управления можно условно считать звеном первого порядка, при условии, что влияние электрической постоянной будет глубоко закопано на (-12 – (-20))дБ полосы авторегулирования. Естественно, я надеюсь, туда уже закопана и частота ШИМ.
Тогда мы имеем дело только с электромеханической постоянной, звеном первого порядка, для которого применяем корректирующее ПИ – звено. Не ПИД!
Д – может сбить Вас с толку, запутать, причём с Вашим счастьем, это сделается легко.

Тут Вам советовали завести дополнительную верёвку по ЭДС, хотя это и не предусмотрено в «оригинале».
Хочу напомнить, что ОС по ЭДС вращения для коллекторных машин может быть замечена, когда её значение превышает падение напряжения на щётках.
U = E + I*Rя + Uщ.

U – напряжене, приложенное к машине.
E – ЭДС.
I – ток.
Rя – сопротивление якоря.
Uщ – дифференциальное падение напряжения на щётках.

Совершенно очевидно, что при определённых моментах (токах) нагрузки и «малых или ползучих» оборотах вала, ЭДС «прячется» за падением напряжения на щётках.
Начиная с каких-то «эффективных» оборотов вала и дружественных токов нагрузки, ЭДС «выходит из тени», но погрешность её измерения столь велика, что сводит на пшик все потуги измерения.
ОС по ЭДС эффективно применять для скоростей средних и выше. При этом погрешность измерения, в любом случае, оставляет желать лучшего, да и сам метод измерения скорости вращения вала по ЭДС есть дерьмо, в сравнении с классическим методом измерения по специализированным для этого случая датчикам (тах, импульсный датчик и т.д.)
Не забываем, что задача про сервак, то есть – основная работа в районе «ползучих» скоростей, где ЭДС не сыскать и днём с огнём.

Теперь про пружину.
Ту её так хвалили, что пройти мимо этих од сложно.
Смотрите, пружина как нагрузка есть колебательное звено, звено второго порядка.
Об этом не следует забывать.
Если её резонансная частота (не дай бох) попадает в полосу авторегулирования, то с этим нужно, что-то делать, это нужно обязательно учесть.
Либо сузить полосу, так чтобы закопать резонанс пружины глубоко под 0дБ, либо вводить корректирующее Д-звено (вот оно – то самое счастье), так чтобы наклон разомкнутой ЛАЧХ пересекал 0дБ усиления под углом -20дБ/дек. Тут Вам крепко «повезло», ибо не во всех случаях удаётся справиться с норовистыми пружинами с помощью простого ПИДа.
Но будем надеяться, что редуктор ослабит её дурное влияние.

[Tanya]

Тут Вам советовали завести дополнительную верёвку по ЭДС, хотя это и не предусмотрено в «оригинале».
Хочу напомнить, что ОС по ЭДС вращения для коллекторных машин может быть замечена, когда её значение превышает падение напряжения на щётках.

Теперь про пружину.
Ту её так хвалили, что пройти мимо этих од сложно.

Почти во всем с Вами согласна.
Но... не могу молчать...
ЭДС можно и нужно измерять при нулевом токе - в паузах ШИМа.
Пружина же (не зря ее там поставили) приводит к тому, что момент и ток в равновесии не равен нулю. Более того, он может быть заранее приблизительно известен. Поэтому при больших скачках... мы заранее примерно знаем финальное значение тока, и можем включать И-компоненту с этим значением вблизи точки равновесия на фазовой плоскости.
Что до собственных колебаний пружины, то согласна с Вами. Но колебания всей механической системы - не повод для расстройства. Трение придает оптимизм. И превращает окружность (эллипс) на фазовой плоскости в спираль...
Еще можно вспомнить, что можно (и нужно) тормозить двигателем в паузах ЩИМа вблизи точки равновесия. Стандартные драйверы это предусматривают.

[Andron55]

Еще можно вспомнить, что можно (и нужно) тормозить двигателем в паузах ЩИМа вблизи точки равновесия. Стандартные драйверы это предусматривают.

Динамическое торможение может быть полезно, как один из видов торможения.
Но торможения и только, а не как вмешательство в функцию авторегулирования, дабы облегчить себе жизнь.
Такое облегчение мнимое. По моему скромному мнению, машину нельзя душить синхронным выпрямителем, даже если её индуктивность помогает машине не делать резких реверансов во время пассивного (дин. торм.) такта ШИМ
Мы так старались, разгоняли машину в активном такте ШИМ, а в пассивном взяли и тормознули, тем самым введя дополнительные потери.
Конечно, авторегулятор увидит нашу глупость, и скомпенсирует её.
При этом система вынуждена будет тратить запас своей энергии и интеллекта на компенсацию нашей «гениальности».
Естественно, она (система) заметно потеряет жесткость и точность.
Станет более вялой, нежели была при классическом ШИМе (ключ/диод).

Не болтается, а лежит на механическом упоре (опоре).

Очень просто - если ШИМ выдает (в среднем) напряжение, то движение (скорость) дает противоЭДС, уменьшая ток и момент. Все это пересчитывается в силу, пропорциональную и противоположную скорости - жидкое терние.
Тут опять пружина помогает косвенно.

Нет, как раз болтается, потому как управляется, а не стоит, как истукан.

Момент в двигателе зависит только от тока, протекающего через него, и больше ни от чего не зависит. Это справедливо для всех случаев, от ХХ до "КЗ" (перегруза) по моменту.
Даже если двигатель остановить за вал насильно, всё напряжение питания приложится к Rя, за вычетом щёток, при этом двигатель будет развивать момент М = Км*I.
Заметьте, ЭДС в этом случае = 0.
Не в целях поехидничать, - уверен, Вы это хорошо знаете и без меня, но напомню:

U = E + I*Rя + Uщ.

U – напряжене, приложенное к машине.
E – ЭДС.
I – ток.
Rя – сопротивление якоря.
Uщ – дифференциальное падение напряжения на щётках.

Сообщение отредактировал Andron55 - Dec 7 2011, 13:05

[Tanya]

Динамическое торможение может быть полезно, как один из видов торможения.
Но торможения и только, а не как вмешательство в функцию авторегулирования, дабы облегчить себе жизнь.
Такое облегчение мнимое. По моему скромному мнению, машину нельзя душить синхронным выпрямителем, даже если её индуктивность помогает машине не делать резких реверансов во время пассивного (дин. торм.) такта ШИМ
Мы так старались, разгоняли машину в активном такте ШИМ, а в пассивном взяли и тормознули, тем самым введя дополнительные потери.
Конечно, авторегулятор увидит нашу глупость, и скомпенсирует её.
При этом система вынуждена будет тратить запас своей энергии и интеллекта на компенсацию нашей «гениальности».
Естественно, она (система) заметно потеряет жесткость и точность.
Станет более вялой, нежели была при классическом ШИМе (ключ/диод).

Вот несогласна. Со всем.
Совсем.
Но могу даже поиграть немного на Вашей стороне - такое торможение нагреет двигатель и драйвер.
Я, однако, предлагала включать такое торможение только вблизи равновесия.
А по Вашему тексту... Ранее Вы сетовали на осцилляторный характер механической нагрузки, а теперь Вам трение не нравится. А если бы там механический демпфер стоял, тоже было бы плохо? Про энергию... Ее в любом случае нужно терять - чтобы привести маятник в новое положение и остановить там, нужно прикладывать "отрицательную" силу.
Если драйвер может крутить в обе стороны, то можно не тормозить "тупой" диссипацией, но все равно - в конечном итоге придется скорость погасить, если мы хотим быстро доехать...
У Вас есть машина? Пользуетесь тормозами, или рассчитываете импульс очень точно и включаете задний ход с рекуперацией - будем думать, что у Вас электромобиль, а трением пренебрежем.
Думается, что у ТС драйвер может только в одну сторону крутить...
Тут еще такое дело - какая у нас целевая функция - энергию экономим, или время. Или очень точно хотим.
Или некоторую комбинацию. От этого-то все и тянется.

Не в целях поехидничать, - уверен, Вы это хорошо знаете и без меня, но напомню:

Не пойму тогда, зачем Вы это все пишите. И еще второй раз.
Думаю, что не управляется - ток там, наверняка, только в одну сторону может течь.

[Andron55]

Думаю, что не управляется - ток там, наверняка, только в одну сторону может течь.

Вы не поняли, «ноль» означает достигнутый результат, т.е. – ошибка равна нолю, но «ноль» - понятие относительное, - «задание» 3В = «ОС» 3В, «задание» 5В = «ОС» 5В.
Видим достигнутый результат – ошибка = 0.
То есть, ноль может бать достигнут при любом положении заслонки.
Абсолютных нолей не бывает, ПИ звено всегда найдёт повод «поискать» «ноль»,
даже выполнив наше задание, оно будет выдавать ошибку либо +, либо - , балансируя вокруг ноля (абсолютного).

[Tanya]

Вы не поняли, «ноль» означает достигнутый результат,

Ну... ноль очень многозначное слов.
Тогда объясните, пожалуйста, почему Вы считаете, что в Вашем "нуле" будет болтанка. Если вспомнить, что пружина убирает люфт.
... Кстати, небольшая болтанка иногда даже полезна с точки зрения скорости.

[Andron55]

Ну... ноль очень многозначное слов.
Тогда объясните, пожалуйста, почему Вы считаете, что в Вашем "нуле" будет болтанка. Если вспомнить, что пружина убирает люфт.
... Кстати, небольшая болтанка иногда даже полезна с точки зрения скорости.

Очень просто.

«Абсолютных нолей не бывает, ПИ звено всегда найдёт повод «поискать» «ноль»,
даже выполнив наше задание, оно будет выдавать ошибку либо +, либо - , балансируя вокруг ноля (абсолютного).»

А теперь, представьте себе, что ноль заехал в область люфта.
Теперь наша ОС болтается на резинке (пружина).
В одну сторону пружина противится, в другую помогает, при этом пружина имеет собственный резонанс.
Если авторегулятор в состоянии отработать такое поведение пружины, или возмущение со стороны пружины будет достаточно слабое, то вероятность успеха возможна.
В такой ситуации пружина может помочь, но может и навредить.
Всё зависит от того, как рассчитан авторегулятор и т.д.


Не понимаю болтанок по скорости – это признак неконтролируемого ускорения, - с чем призван бороться авторегулятор, когда ОС по скорости не совпадает с заданием.

PS

А Вы что, действительно не слыхали о 4Q - четырёхквадрантном управлении?

Сообщение отредактировал Andron55 - Dec 7 2011, 15:45

[Tanya]

Очень просто.

«Абсолютных нолей не бывает, ПИ звено всегда найдёт повод «поискать» «ноль»,
даже выполнив наше задание, оно будет выдавать ошибку либо +, либо - , балансируя вокруг ноля (абсолютного).»

Непонятно, зачем Вы это пишете так подчеркнуто. Хотите открыть мне глаза?

А теперь, представьте себе, что ноль заехал в область люфта.

Пружинка убирает люфт. Не согласны?

Теперь наша ОС болтается на резинке (пружина).
В одну сторону пружина противится, в другую помогает, при этом пружина имеет собственный резонанс.

Забудем пока о собственных колебаниях пружины...

Если авторегулятор в состоянии отработать такое поведение пружины, или возмущение со стороны пружины будет достаточно слабое, то вероятность успеха возможна.
В такой ситуации пружина может помочь, но может и навредить.
Всё зависит от того, как рассчитан авторегулятор и т.д.

А что тут такого сложного. Вот в термостатах теплоотдача является "пружиной" и это не мешает сотням миллионов терморегуляторов работать. Наверное, они все как-то рассчитаны.

Не понимаю болтанок по скорости – это признак ускорения, - с чем призван бороться авторегулятор.

Иногда делаю специально колебания или близко к этому... Для увеличения скорости реакции.. Если частота высокая, то хорошо.

А Вы что, действительно не слыхали о 4Q - четырёхквадрантном управлении?

Я обычно думаю о фазовом пространстве. Или плоскости. Там есть квадранты. Эти?

[Andron55]

Я обычно думаю о фазовом пространстве. Или плоскости. Там есть квадранты. Эти?

Теперь понятно.
Вы, скорее всего, «тепловик», - очень уважаю таких специалистов.
Это белые воротнички, на фоне нас – лехтроно-железячников.
Зачастую Вы решаете задачу с медленно протекающими процессами.
В основном работаете с одноквадрантными авторегуляторами.
Т.е. – нашли ошибку (-) – авторегулятор надавил на гашетку (+), свел ошибку в ноль или слегка перекомпенсировал, и всё, курим до тех пор пока параметр не «упадёт» на чувствительный уровень ошибки ниже задания по естественной характеристике, затем повторяемся по тому же кругу.
Так можно управлять и электрической машиной в одноквадрантном режиме.
Т.е. Включили, разогнали до уровня задания, поддерживаем скорость с помощью ошибки, которая в этом случае всегда отрицательна (ОС под заданием).

А тепер представте себе, что нагрузка захотела вдруг опередить установленную скорость вращения вала или задача требует снижения скорости строго (согласно) изменению задания по определённому закону.
Что делать?
Пусть вал ускоряется, если ему так хочется или пусть привод останавливается по своей естественной характеристике?
Нет, не пусть.
Для этого случая у нас в запасе имеется 4Q управление (полный мост и возможность адекватного, с нужной амплитудой, в нужный момент противовключения, если того пожелает авторегулятор).
Теперь легко понять, откуда появились четыре квадранта.

[Tanya]

В основном работаете с одноквадрантными авторегуляторами.
Т.е. – нашли ошибку (-) – авторегулятор надавил на гашетку (+), свел ошибку в ноль или слегка перекомпенсировал, и всё, курим до тех пор пока параметр не «упадёт» на чувствительный уровень ошибки ниже задания по естественной характеристике, затем повторяемся по тому же кругу.

Все Вы путаете... Если даже представить себе регулятор температуры, то он ничем не отличается от механики.
Вот если при данной температуре нужно ее снизить, то воздействие должно уменьшится. В Вашем случае (скорость или положение) оно меняет знак, а для терморегулятора уменьшается, но если за нуль взять установившееся значение, то тоже получится смена знака.
P.S. Уравнения одинаковые - значит и регулятор может быть одинаковый.
А я не только температуру могу регулировать..

[Andron55]

Все Вы путаете... Если даже представить себе регулятор температуры, то он ничем не отличается от механики.
Вот если при данной температуре нужно ее снизить, то воздействие должно уменьшится. В Вашем случае (скорость или положение) оно меняет знак, а для терморегулятора уменьшается, но если за нуль взять установившееся значение, то тоже получится смена знака.
P.S. Уравнения одинаковые - значит и регулятор может быть одинаковый.
А я не только температуру могу регулировать..

Нет, не путаю.
Ваша температура спадает по естественной характеристике (не принудительно, а как получится). У вас нет мощного холодильника (специального тормоза), который бы вместо нагрузки достаточно быстро отбирал на себя «лишнее» (перерегулированное) тепло и от нагрузки и от внешней среды (хотя никто не мешает вам иметь такой холодильник киловатт на сто, к примеру). Естественное остывание это не тормоз, а самонакат.
Вы можете только греть, а остывает нагрузка самостоятельно.
А у меня есть 4Q. Что даёт возможность эффективно отбирать кинетическую энергию от машины.
Я могу давить на газ «вперёд» и давить на газ «назад», когда еду вперёд или действовать так же адекватно при езде назад, что намного эффективнее обычного тормоза (динамического торможения).
Видите разницу? Езда вперёд и назад - понятие относительное.
Задание "+" (едем вперёд) но держим скорость согласно задания, независимо от знака возмущения +/- на валу двигателя или +/-приращения задания в секторе "+" задания. Тут мы отработали два квадранта.
Задание "-" (едем назад) но держим скорость согласно задания, независимо от знака возмущения +/- на валу двигателя или +/-приращения задания в секторе "-" задания . Тут мы отработали остальные два квадранта.
Итого - 4Q.

А уравнения действительно одинаковые, и регуляторы тоже одинаковые.
Только у вас нет полного моста для нагрузки, как у меня, который дает и отбирает.
Ваш авторегулятор не четырёхквадрантный, а мой таки да.

Сообщение отредактировал Andron55 - Dec 7 2011, 18:51

[Tanya]

Нет, не путаю
Видите разницу?

А уравнения действительно одинаковые, и регуляторы тоже одинаковые.

Ваш авторегулятор не четырёхквадрантный, а мой таки да.

Разницу вижу только в наших мозгах.

[Andron55]

Разницу вижу только в наших мозгах.

И это хорошо!
Иначе – скукатишша.

Но разницу между 1Q и 4Q вы таки не видите.
Если хотите, постараюсь объяснить ещё медленнее и подробнее.
А Вы имели удовольствие делать серво, скажем, привода подачи ЧПУ?

[Tanya]

И это хорошо!
Иначе – скукатишша.

Но разницу между 1Q и 4Q вы таки не видите.
Если хотите, постараюсь объяснить ещё медленнее и подробнее.
А Вы имели удовольствие делать серво, скажем, привода подачи ЧПУ?

Уже, действительно, становится скучно... Вот представьте себе печь, нагретую почти до предельной температуры по мощности нагревателя. Скорость нагрева равна скорости охлаждения. Если я выключу нагрев, то с какой скоростью будет охлаждаться? А если включу на полную мощность?
Подумайте о квадрантах.
С механикой имею дело. Только не пойму, почему Вы спрашиваете.

[Andron55]

Скорость нагрева равна скорости охлаждения.

А если не равна, но очень надо, а если надо остудить быстрее, чем нагрели, а если остужать хочу по заданию мне необходимому или по траектории, которую мне надо, а не по той, которую захотела печь по собственному усмотрению.
Вы владеете властью над нагревом, можете ускорить нагрев, учтя инерцию печи, и только.
А вот остудить печечку так, как Вы хотите, у Вас власти нет.
Печка будет остывать без вашего участия, так как ей позволят исходные условия, но не Вы. Повторюсь – у Вас нет возможности отобрать энергию у печи по заданию, как Вы хотите.
Вы не можете нагревателем охлаждать печь, а я могу нагревателем именно «охлаждать» электрическую машину.

Сообщение отредактировал Andron55 - Dec 7 2011, 20:48

[Tanya]

Повторюсь – у Вас нет возможности отобрать энергию у печи по заданию, как Вы хотите.
Вы не можете нагревателем охлаждать печь, а я могу нагревателем именно «охлаждать» электрическую машину.

Вы заблуждаетесь. Вы тоже не можете произвольно менять энергию, - мощности не хватит или разрушится все.
Не нужно пустых слов. Вы признаете (но не осознаете пока), что уравнения одинаковые - уже хорошо.
а как называются буковки в формулах - совершенно не важно.

Огромное спасибо всем за советы по теме!

Попробую дополнить дискуссию некоторыми фактами.

"присасывается" к закрытому состоянию...

Такое пишете - чудеса...
Если пружина сильная, то ее частота колебаний собственная где-то в звуковом диапазоне. Вы под собственной частотой что понимаете?
То. что Вы называете болтающейся заслонкой - это при потоке газа, который "усиливает" пружину?
Люфт может возникать только в точке, когда пружина в свободном состоянии, а Вы пишете про смену знака скорости.
Попробуйте измерить ток (ШИМ) от равновесного положения.
Что до взбрыкивания ПИДа, то, видно, что знак интеграла у Вас не попутан. про остальное не знаю. Попробуйте отключить интегральный член. Начать с пропорционального. Добавить дифференциальный. А интегральный включать по таблице вблизи точки равновесия.

[Andron55]

Вы заблуждаетесь. Вы тоже не можете произвольно менять энергию, - мощности не хватит или разрушится все.
Не нужно пустых слов. Вы признаете (но не осознаете пока), что уравнения одинаковые - уже хорошо.
а как называются буковки в формулах - совершенно не важно.

Как хорошо, что наше признание/непризнание повлиять на формулы могут никак.
А вот на результат таки да.


А энергию, запасённую в махале машины, я легко и просто могу направить (вернуть) обратно в источник (ЗАМЕТЬТЕ, НЕ В АТМОСФЕРУ) – рекуперация называется.

Не пойму, куда делось моё предыдущее послание "палате общин"?

Сообщение отредактировал Andron55 - Dec 8 2011, 10:02