簡(jiǎn)介基于STM32F103ZET6與編碼器直流電機(jī)的模糊自整定增量式PID速度控制工程面向嵌入式初學(xué)者和電機(jī)控制開發(fā)者主要解決普通增量式PID參數(shù)整定困難、超調(diào)量較大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)不易兼顧等問題。程序按照正點(diǎn)原子工程規(guī)范分模塊組織注釋完整代碼塊清晰涵蓋模糊規(guī)則表、模糊推理、增量式PID計(jì)算、編碼器測(cè)速、PWM輸出及串口調(diào)試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)可直接在Keil中打開工程進(jìn)行編譯、燒錄和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。壓縮包共170個(gè)文件以h頭文件、c源文件為主同時(shí)包含o目標(biāo)文件、hex可執(zhí)行文件、uvprojx工程文件以及map、axf、sct等構(gòu)建鏈接與調(diào)試輔助文件整體4.74MB目錄結(jié)構(gòu)規(guī)整便于按模塊檢索代碼和理解編譯過程。目前已有4282人學(xué)習(xí)下載作者實(shí)測(cè)運(yùn)行可靠對(duì)初學(xué)者理解模糊自整定原理、對(duì)比普通PID控制效果以及規(guī)范嵌入式編程習(xí)慣都有較好的參考價(jià)值。1. 模糊自整定增量式PID為什么調(diào)速要它去年在調(diào)一臺(tái)兩輪自平衡原型車時(shí)我遇到一個(gè)很典型的現(xiàn)象空載時(shí)速度很穩(wěn)一加負(fù)載、推一下車身電機(jī)聲音立刻變成高頻尖叫轉(zhuǎn)速掉下去又沖上來來回只有兩三個(gè)周期就轉(zhuǎn)飛了。換了幾組固定Kp、Ki、Kd都?jí)翰蛔『髞砦野芽刂破鲹Q成模糊自整定增量式PID才把這種“負(fù)載變了參數(shù)就得重調(diào)”的毛病根治掉。這就是你手里這份資源的核心在STM32F103上用模糊控制在線修正增量式PID的三個(gè)參數(shù)配編碼電機(jī)做速度閉環(huán)載入變化時(shí)不需要手動(dòng)重調(diào)PID板子自己去匹配工況。它適合正在做小車、云臺(tái)、傳送帶類項(xiàng)目又受夠了固定PID在不同負(fù)載下反復(fù)翻車的開發(fā)者。2. 系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵器件STM32F103 編碼電機(jī)的閉環(huán)回路2.1 整體控制鏈路從編碼器回到PWM輸出這個(gè)項(xiàng)目本質(zhì)上是一個(gè)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。被控對(duì)象是帶減速箱的直流電機(jī)執(zhí)行器是H橋驅(qū)動(dòng)反饋來自電機(jī)軸上的霍爾/光電編碼器?？刂破鞯奈锢磔d體是STM32F103它要做的事情只有三件讀編碼器、算模糊PID增量、輸出PWM。數(shù)據(jù)流是這樣的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器輸出兩路正交方波定時(shí)器工作在編碼器模式計(jì)數(shù)方向隨電機(jī)轉(zhuǎn)向變化。單片機(jī)每個(gè)控制周期比如10ms讀取一次計(jì)數(shù)增量換算成當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速。把目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速相減得到誤差e把本次誤差和上次誤差的差值作為誤差變化率ec然后同時(shí)喂給模糊控制器和增量式PID。模糊控制器先根據(jù)e和ec查規(guī)則表解模糊后輸出Kp、Ki、Kd的調(diào)整量增量式PID再算出本次需要加到PWM基值上的控制增量。這個(gè)增量累加到占空比上通過定時(shí)器PWM輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)芯片改變電機(jī)端電壓完成一次閉環(huán)。這套鏈路里最需要注意的一點(diǎn)是模糊PID并沒有替代PID它只是PID的“參數(shù)在線調(diào)節(jié)器”。固定PID是一個(gè)黑匣子參數(shù)定死模糊PID是給這個(gè)黑匣子加了一套“看到誤差大就加大Kp、誤差小就減小Kp”的自動(dòng)規(guī)則。F103的主頻只有72MHz模糊控制的計(jì)算量很小反而增量式PID的累加和限幅更值得關(guān)注。2.2 硬件選型與接線編碼電機(jī)、驅(qū)動(dòng)板、電源防坑這份資源對(duì)應(yīng)的硬件方案比較標(biāo)準(zhǔn)主控是STM32F103C8T6或RCT6電機(jī)是帶霍爾編碼器的減速直流電機(jī)常見的是30:1或75:1那種驅(qū)動(dòng)板用TB6612FNG或DRV8833都可以。編碼器一般是13線或20線的霍爾碼盤配合1/30減速比電機(jī)軸轉(zhuǎn)一圈編碼器輸出大約390個(gè)或600個(gè)脈沖。這個(gè)分辨率做速度環(huán)完全夠用。接線建議分成三組編碼器組、驅(qū)動(dòng)組、電源組。編碼器的A、B相分別接STM32的PA0/PA1如果定時(shí)器1不能用就換TIM2的CH1/CH2正交解碼必須要同一定時(shí)器的兩個(gè)通道。驅(qū)動(dòng)板IN1/IN2接普通GPIOPWM接定時(shí)器通道比如TIM3的CH1。電源部分最容易翻車電機(jī)電源和邏輯電源必須分開電機(jī)用6V或者7.4V電池單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)板邏輯側(cè)用3.3V穩(wěn)壓共地也要注意最好在電源入口加一個(gè)幾百微法的電解電容否則逆變時(shí)電壓波動(dòng)會(huì)直接讓編碼器讀數(shù)瞎跳。初始化代碼里編碼器定時(shí)器要配成Encoder Mode而不是普通計(jì)數(shù)模式。常見寫法是配置TIM2的CCER、SMCR和CR1確保計(jì)數(shù)方向跟隨AB相序。下面是一段可用的初始化片段// TIM2編碼器模式初始化 void Encoder_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // PA0/PA1 復(fù)用為TIM2通道1/2 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode GPIO_Mode_IN; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStruct); TIM_InitStruct.TIM_Prescaler 0; TIM_InitStruct.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; // 編碼器模式下自動(dòng)處理方向 TIM_InitStruct.TIM_Period 0xFFFF; TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM2, TIM_InitStruct); TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12, // 兩路正交計(jì)數(shù) TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); TIM_SetCounter(TIM2, 0x8000); // 計(jì)數(shù)初值放中間留出正負(fù)余量 TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); }定時(shí)器Period設(shè)置為0xFFFF計(jì)數(shù)初值放在0x8000是為了能同時(shí)表示正向和反向的計(jì)數(shù)變化。編碼器模式下的方向由A相和B相的相位差決定單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)加減計(jì)數(shù)所以不需要在軟件里額外判斷轉(zhuǎn)向。這里有一點(diǎn)要特別說明如果初始化順序亂了比如先使能定時(shí)器再配置編碼器接口會(huì)出現(xiàn)首周期計(jì)數(shù)不回零的玄學(xué)問題。我一般會(huì)把GPIO配置放在定時(shí)器配置之前并且配置完成后把計(jì)數(shù)寄存器手動(dòng)清零一次。驅(qū)動(dòng)板部分PWM頻率選20kHz左右比較合適。頻率太低會(huì)聽到明顯噪聲太高M(jìn)OS管開關(guān)損耗變大。定時(shí)器PWM初始化時(shí)把ARR設(shè)為999PSC設(shè)為72就能得到20kHz。注意PWM占空比增量每一步不要給太多我的經(jīng)驗(yàn)是單次PID輸出限制在±50以內(nèi)否則電機(jī)電流沖擊會(huì)讓驅(qū)動(dòng)板進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。2.3 軟件工程結(jié)構(gòu)目錄與任務(wù)分工整個(gè)工程是按“模塊”組織的不是把所有代碼堆在main.c里。這份資源解壓后大概能看到下面的結(jié)構(gòu). ├── Core/ │ ├── inc/ # 頭文件 │ └── src/ ├── Drivers/ │ └── STM32F1xx_HAL_Driver/ ├── App/ │ ├── main.c │ ├── pid.c # 增量式PID本體 │ ├── pid.h │ ├── fuzzy.c # 模糊控制器 │ ├── fuzzy.h │ ├── speed_ctrl.c # 速度環(huán)控制周期調(diào)度 │ ├── encoder.c # 編碼器讀寫 │ ├── motor.c # PWM輸出和驅(qū)動(dòng)方向 │ └── user_debug.c # 串口打印和參數(shù)可視化 └── MDK-ARM/main.c只負(fù)責(zé)初始化硬件和進(jìn)入一個(gè)while(1)死循環(huán)具體的控制邏輯由各模塊接口提供。speed_ctrl.c里放一個(gè)ms級(jí)的控制周期入口比如SpeedCtrl_Update()由定時(shí)器中斷或Systick調(diào)度。fuzzy.c是被動(dòng)調(diào)用沒有調(diào)度權(quán)它只負(fù)責(zé)根據(jù)輸入查規(guī)則表并輸出參數(shù)修正量。這樣拆的好處是以后想換位置環(huán)或者加上位機(jī)通信只動(dòng)speed_ctrl這一層不用把PID和模糊代碼推翻重寫。這種分層也是我認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目最值得學(xué)的地方算法部分保持“純函數(shù)”屬性不依賴具體芯片外設(shè)硬件驅(qū)動(dòng)部分只管寄存器讀寫不帶業(yè)務(wù)邏輯。分離之后你在PC上用同樣的算法仿真和單片機(jī)上的行為基本一致。3. 核心模塊拆解模糊自整定增量式PID的實(shí)現(xiàn)3.1 增量式PID為什么不用位置式速度環(huán)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是PWM占空比它天然適合增量式PID。位置式PID的輸出本身就是占空比的絕對(duì)值每次都要重新計(jì)算一旦積分項(xiàng)飽和電機(jī)就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停不回來而增量式PID只輸出上一次和這一次之間的差值單片機(jī)只需要做一次“舊占空比加增量、再限幅”的操作。增量式PID的公式是常規(guī)的float dOut Kp * (e - e_pre) Ki * e Kd * (e - 2 * e_pre e_pre2);這次輸出dOut不是新的占空比而是占空比修正量。最終要執(zhí)行的是duty dOut。這里Kp對(duì)應(yīng)比例增量的權(quán)重Ki對(duì)應(yīng)本次誤差的積分增量Kd對(duì)應(yīng)誤差二次差分也就是誤差加速度。因?yàn)橹挥腥?xiàng)差值所以即使誤差恒定為0積分增量也為0不會(huì)出現(xiàn)位置式那種誤差一直存在但是輸出已經(jīng)飽和的問題。在實(shí)現(xiàn)上我一般會(huì)把增量式PID封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體把歷史誤差放在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部避免外部到處傳參。代碼片段如下typedef struct { float Kp; float Ki; float Kd; float e_pre; float e_pre2; float out_max; // 單次增量限幅 float duty_min; float duty_max; } IncPID_T; float IncPID_Calc(IncPID_T *pid, float target, float current) { float e target - current; float dOut; dOut pid-Kp * (e - pid-e_pre) pid-Ki * e pid-Kd * (e - 2.0f * pid-e_pre pid-e_pre2); // 增量限幅防止大誤差時(shí)一步跳太多 if (dOut pid-out_max) dOut pid-out_max; if (dOut -pid-out_max) dOut -pid-out_max; pid-e_pre2 pid-e_pre; pid-e_pre e; return dOut; }這里有個(gè)容易忽略的點(diǎn)e_pre2的更新順序。我寫過一次把e_pre更新放在e_pre2前面的代碼結(jié)果二階差分項(xiàng)用的永遠(yuǎn)是同一個(gè)歷史值Kd完全失效。所以每次計(jì)算完成后先讓e_pre2繼承e_pre再讓e_pre繼承當(dāng)前e。順序反了控制品質(zhì)會(huì)差一個(gè)量級(jí)。3.2 模糊控制器誤差和誤差變化率如何生成Kp、Ki、Kd模糊控制器輸入是誤差e和誤差變化率ec。先做模糊化把當(dāng)前實(shí)際值映射到[-6, 6]區(qū)間然后判斷它落在哪些模糊集合上。這里模糊集合取7個(gè)NB負(fù)大、NM負(fù)中、NS負(fù)小、ZO零、PS正小、PM正中、PB正大。每個(gè)輸入在每個(gè)集合里都有一個(gè)隸屬度常用的是三角形隸屬度函數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單適合F103這種小資源單片。每個(gè)輸出變量Kp增量、Ki增量、Kd增量也定義同樣的7個(gè)集合但規(guī)則表和去模糊方式不同。Kp的整定思路是誤差大時(shí)Kp大誤差小時(shí)Kp小誤差變化率大時(shí)Kp適當(dāng)減小防止超調(diào)。Ki的整定思路是誤差大時(shí)Ki小甚至為負(fù)避免積分飽和誤差中等時(shí)Ki中等誤差小時(shí)Ki加大來消除靜差。Kd的整定思路是誤差變化率大時(shí)Kd大誤差小且變化率也小時(shí)Kd小。規(guī)則表是這份資源里最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。拿Kp的調(diào)整表舉例行是誤差e的等級(jí)列是誤差變化率ec的等級(jí)e\ecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB這張表看著復(fù)雜實(shí)際上就是一句人話“誤差大時(shí)給足比例誤差小就別讓比例太大”。Ki和Kd的規(guī)則表結(jié)構(gòu)一樣只是數(shù)值方向相反或偏移。模糊化時(shí)每個(gè)輸入可能同時(shí)命中兩個(gè)相鄰的集合比如e1.2在ZO和PS之間ZO的隸屬度可能是0.4PS是0.6。這時(shí)兩個(gè)集合都得參與模糊推理不能用“只取最大隸屬度的集合”這種簡(jiǎn)化方式否則那就不叫模糊PID叫查表開關(guān)PID了。3.3 核心代碼逐段講解模糊推理與解模糊下面這段是fuzzy.c里最核心的函數(shù)完成一次Kp、Ki、Kd修正量的計(jì)算。代碼里特意把輸入量化、規(guī)則查表、重心法解模糊分成了三個(gè)獨(dú)立函數(shù)方便你在上位機(jī)里復(fù)現(xiàn)同樣的算法。#define NB 0 #define NM 1 #define NS 2 #define ZO 3 #define PS 4 #define PM 5 #define PB 6 // 三角形隸屬度函數(shù) float Trimf(float x, float a, float b, float c) { if (x a || x c) return 0.0f; if (x b) return 1.0f; if (x a x b) return (x - a) / (b - a); return (c - x) / (c - b); } // 輸入e和ec映射為7個(gè)集合的隸屬度 void Fuzzy_Membership(float e, float* me, float ec, float* mec) { float pos[7] {-6.0f, -4.0f, -2.0f, 0.0f, 2.0f, 4.0f, 6.0f}; int i; for (i 0; i 7; i) { float left (i 0) ? pos[i-1] : pos[i] - 2.0f; float right (i 6) ? pos[i1] : pos[i] 2.0f; me[i] Trimf(e, left, pos[i], right); mec[i] Trimf(ec, left, pos[i], right); } } // 解模糊加權(quán)平均輸出系數(shù)修正量 float Fuzzy_Defuzz(float* member, int *rule, int rule_rows, int rule_cols) { float num 0.0f; float den 0.0f; float center[7] {-6.0f, -4.0f, -2.0f, 0.0f, 2.0f, 4.0f, 6.0f}; int i, j; for (i 0; i rule_rows; i) { for (j 0; j rule_cols; j) { float w (member[i] member[j]) ? member[i] : member[j]; int out_idx rule[i * rule_cols j]; num w * center[out_idx]; den w; } } if (den 0.0001f) return 0.0f; return num / den; }說明一下這段代碼的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。第一member[i] member[j] ? member[i] : member[j]是取小操作代表同時(shí)滿足兩個(gè)前提條件的可信度。這里是7×7的規(guī)則表每個(gè)e的集合和每個(gè)ec的集合組合出一條規(guī)則所以會(huì)有49條規(guī)則同時(shí)參與評(píng)估。第二解模糊用重心法輸出是一個(gè)在[-6,6]區(qū)間的量再乘上各自的量化因子變成真正的Kp、Ki、Kd修正量。量化因子在調(diào)用的時(shí)候由外部傳入比如deltaKp Fuzzy_Defuzz(me, rule_kp, 7, 7) * Kp_scale;。第三規(guī)則表的存儲(chǔ)格式是一維數(shù)組比如int rule_kp[49] {...}順序是按e從NB到PBec從NB到PB展開。初始化模糊參數(shù)時(shí)Kp_scale我一般取0.2~0.5也就是模糊修正量最多改變?cè)璌p的50%。如果這個(gè)值給得太大系統(tǒng)容易在穩(wěn)態(tài)附近反復(fù)震蕩。3.4 參數(shù)說明與調(diào)參流程這套模糊PID一共需要人工設(shè)置三類參數(shù)。第一類是PID基準(zhǔn)值也就是模糊控制器沒介入時(shí)的初始Kp、Ki、Kd。第二類是量化因子包括e和ec的輸入量化因子、三個(gè)輸出的縮放因子。第三類是規(guī)則表一般來說不需要全改只要?jiǎng)由贁?shù)幾個(gè)格子就能改變系統(tǒng)性格。調(diào)參順序我建議這樣走先關(guān)掉模糊控制器把固定PID調(diào)到“能轉(zhuǎn)但不一定穩(wěn)”的程度。這個(gè)階段只調(diào)基準(zhǔn)值讓系統(tǒng)有50%以上的響應(yīng)能力但不追求無(wú)超調(diào)。然后再啟用模糊控制器從小到大逐步加輸入量化因子觀察階躍響應(yīng)。如果超調(diào)大就加大ec的量化因子讓模糊控制器對(duì)誤差變化更敏感如果響應(yīng)太慢就增加誤差量化因子和Kp縮放因子。每一步改完都要記錄一次階躍曲線不要同時(shí)改兩個(gè)參數(shù)否則事后你根本不知道是哪個(gè)改動(dòng)起了作用。4. 速度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)編碼器測(cè)速與PWM輸出4.1 編碼器測(cè)速TIM編碼器模式與脈沖計(jì)數(shù)讀取速度反饋的精度直接決定模糊PID能不能穩(wěn)住。編碼器模式讀取計(jì)數(shù)不要用外部中斷STM32的定時(shí)器編碼器模式是硬件正交解碼CPU不參與計(jì)數(shù)過程不會(huì)漏脈沖。讀取計(jì)數(shù)值的接口也很簡(jiǎn)單int16_t Encoder_GetCount(void) { int16_t raw (int16_t)TIM2-CNT - 0x8000; TIM2-CNT 0x8000; return raw; }這段代碼先把CNT減去0x8000得到帶符號(hào)的增量然后把CNT重置回0x8000。注意數(shù)據(jù)類型一定要是int16_t因?yàn)?x8000在寄存器里是0x0000減0x8000后是一個(gè)負(fù)數(shù)賦值給uint16_t就變成65535了。我在這上面踩過一次坑編碼器讀數(shù)從-1變成65535PID直接當(dāng)正誤差處理電機(jī)猛加速。測(cè)速周期要和控制周期保持一致。我控制周期取10ms那么當(dāng)前轉(zhuǎn)速等于count / (10ms * 編碼器每圈脈沖數(shù) * 減速比) * 60單位是轉(zhuǎn)/分鐘。實(shí)際代碼里我不會(huì)每次算浮點(diǎn)除法而是預(yù)先算出一個(gè)脈沖到轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)直接乘一下。比如編碼器每轉(zhuǎn)390個(gè)脈沖10ms周期轉(zhuǎn)速系數(shù)就是1.0f / (0.01f * 390) * 60.0f算出來約等于153.8。這樣每條指令就一次乘法速度很快。4.2 PWM輸出與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制PWM輸出使用通用定時(shí)器TIM3。在速度閉環(huán)中PWM占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)向分別由兩路信號(hào)控制。驅(qū)動(dòng)板的IN1、IN2決定轉(zhuǎn)向PWM引腳決定速度大小。要么IN1為高、IN2為低電機(jī)正轉(zhuǎn)反之為反轉(zhuǎn)。PWM占空比始終是正數(shù)范圍0到ARR。電機(jī)控制函數(shù)的接口設(shè)計(jì)很關(guān)鍵我一般是這樣void Motor_SetDuty(int16_t duty) { if (duty 0) { IN1_HIGH(); IN2_LOW(); } else { IN1_LOW(); IN2_HIGH(); duty -duty; } if (duty 999) duty 999; TIM_SetCompare1(TIM3, (uint16_t)duty); }duty為負(fù)時(shí)互換轉(zhuǎn)向并將絕對(duì)值作為占空比。這里有個(gè)細(xì)節(jié)切換轉(zhuǎn)向時(shí)如果占空比線性變化驅(qū)動(dòng)板輸出的電壓方向會(huì)瞬間翻轉(zhuǎn)電機(jī)電流會(huì)非常大。所以速度環(huán)代碼里一般要加一個(gè)duty_change_max限制比如每10ms最多允許占空比變化50這樣換向時(shí)電流是緩慢爬的不會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片過流保護(hù)。PWM定時(shí)器初始化里還有兩個(gè)隱藏參數(shù)。一是ARR和PSC的關(guān)系PSC72-1ARR1000-1頻率就是72MHz / 72 / 1000 1kHz太低了會(huì)聽到噪聲我把PSC改成72ARR改成999頻率是20kHz聽不到聲音但驅(qū)動(dòng)芯片的開關(guān)損耗會(huì)略大一點(diǎn)。二是互補(bǔ)輸出和死區(qū)時(shí)間在這個(gè)項(xiàng)目里用不到別開。4.3 主循環(huán)與控制周期調(diào)度控制節(jié)奏必須固定不能在while(1)里隨手調(diào)用PID否則不同負(fù)載下控制周期會(huì)漂移。這個(gè)項(xiàng)目用的是定時(shí)器中斷觸發(fā)控制Systick只負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)時(shí)鐘和串口調(diào)試?？刂浦袛嗬飯?zhí)行的是最小集合讀編碼器、算速度、調(diào)模糊PID、輸出PWM。所有耗時(shí)操作比如串口打印、OLED顯示都挪到主循環(huán)里。// TIM4中斷服務(wù)函數(shù) void TIM4_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) ! RESET) { int16_t cnt Encoder_GetCount(); float speed (float)cnt * speed_factor; float dOut SpeedLoop_Update(target_speed, speed); Motor_SetDuty(last_duty (int16_t)dOut); TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); } }SpeedLoop_Update內(nèi)部會(huì)調(diào)用模糊控制器更新Kp、Ki、Kd然后調(diào)用增量式PID計(jì)算增量。注意target_speed是全局變量可以被上位機(jī)指令修改在中斷里讀取時(shí)不需要特殊保護(hù)因?yàn)樗皇且粋€(gè)16位或32位的簡(jiǎn)單值。但如果你在上位機(jī)線程里不停寫、中斷里不停讀就可能讀到撕裂的中間狀態(tài)。簡(jiǎn)單的處理是把target_speed聲明成volatile或者用臨時(shí)變量緩沖一下。這個(gè)項(xiàng)目資源里用的就是volatile夠用。主循環(huán)里主要做狀態(tài)機(jī)和調(diào)試輸出。狀態(tài)機(jī)一般分為“停止”“軟啟動(dòng)”“運(yùn)行”“剎車”四種狀態(tài)。軟啟動(dòng)階段目標(biāo)速度不是一步給滿而是按斜坡從0增加到設(shè)定值這樣模糊PID不會(huì)在啟動(dòng)瞬間收到一個(gè)巨大的階躍誤差運(yùn)行更平順。5. 避坑記錄模糊PID調(diào)速的5個(gè)常見問題5.1 電機(jī)只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)失效現(xiàn)象是給定負(fù)數(shù)目標(biāo)速度電機(jī)還是正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)速度只有正轉(zhuǎn)的一半。原因多半是編碼器計(jì)數(shù)方向判斷錯(cuò)誤。增量式PID輸出的dOut為負(fù)時(shí)占空比要加到PWM上此時(shí)PWM基值減小電機(jī)速度應(yīng)該下降。如果編碼器計(jì)數(shù)的符號(hào)和實(shí)際轉(zhuǎn)向反了PID看到的誤差方向是反的它會(huì)認(rèn)為正轉(zhuǎn)速度越高越好于是一直正向加速。解決方法是把編碼器A、B相接線互換或者在編碼器初始化時(shí)把TI1和TI2的極性問題換個(gè)方向。我用的是后者不改線只改TIM_EncoderInterfaceConfig里的兩個(gè)TIM_ICPolarity參數(shù)。如果A相接反把兩個(gè)都從Rising改成Falling計(jì)數(shù)方向就會(huì)翻轉(zhuǎn)。還有一種更快的驗(yàn)證方式手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸看串口打印的計(jì)數(shù)正負(fù)和你設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否一致。不一致就先極性再動(dòng)軟件。5.2 編碼器讀數(shù)跳變甚至出現(xiàn)突刺現(xiàn)象是速度曲線里每隔幾十毫秒冒出一個(gè)尖峰PID誤以為電機(jī)瞬間轉(zhuǎn)得飛快。原因大概率是編碼器線和電機(jī)線綁在一起電機(jī)電流變化時(shí)電磁干擾串進(jìn)編碼器信號(hào)導(dǎo)致正交解碼器捕獲到虛假脈沖。初期我以為是代碼bug查了很久最后發(fā)現(xiàn)是接線問題。解決方法是把編碼器信號(hào)線改成絞合線遠(yuǎn)離電機(jī)電源線在編碼器電源引腳加一個(gè)0.1uF電容如果信號(hào)比較長(zhǎng)再加RC濾波。也有人用定時(shí)器輸入捕獲的濾波功能在GPIO配置里加上GPIO_InitStruct.GPIO_Filter但這在F103的編碼器模式里支持有限不能完全依賴。硬件上把干擾源分開比任何軟件濾波都有效。5.3 模糊規(guī)則表無(wú)效輸出像普通PID現(xiàn)象是啟用了模糊控制器之后系統(tǒng)響應(yīng)和沒啟用時(shí)完全一樣或者只在極個(gè)別工況下有一點(diǎn)點(diǎn)變化。原因很可能是量化因子沒配置對(duì)輸入量化因子太大或輸出縮放因子太小。比如誤差范圍是±500 RPM輸入量化因子你配了0.001那映射到[-6,6]區(qū)間后正常誤差下的值只有-0.6到0.6永遠(yuǎn)落在ZO附近模糊控制器基本不產(chǎn)出修正量。解決方法是先打印量化前后的e和ec值。我調(diào)試時(shí)會(huì)加一個(gè)調(diào)試接口把raw_e和fuzzy_input_e同時(shí)打印出來確認(rèn)在最大階躍誤差下fuzzy_input_e能到±4左右。如果到不了就把量化因子往上調(diào)。輸出縮放因子我們之前說的0.2~0.5這里不要給太小否則Kp修正量只有0.01PID基準(zhǔn)值完全主導(dǎo)模糊看起來就是擺設(shè)。5.4 高速時(shí)速度抖動(dòng)低速時(shí)爬行現(xiàn)象是中速很穩(wěn)轉(zhuǎn)速一高就細(xì)碎抖動(dòng)轉(zhuǎn)速一低就一頓一頓。高速抖動(dòng)主要原因是PWM占空比分辨率不夠ARR設(shè)成999時(shí)每格占空比變化是0.1%輸出力矩階梯感明顯。解決方法是把ARR提高到1999PSC保持72不變PWM頻率變成約18kHz占空比分辨率翻倍抖動(dòng)會(huì)明顯下降。但要注意ARR變了限幅上限也要跟著改成1999。低速爬行是增量式PID的一個(gè)天生弱點(diǎn)誤差很小時(shí)dOut也很小可能一直小于占空比一格的量電機(jī)就停在那里不動(dòng)。解決辦法是給增量式PID加一個(gè)“死區(qū)補(bǔ)償”|dOut|小于某個(gè)閾值時(shí)把它提升到最小可驅(qū)動(dòng)占空比。這個(gè)閾值要根據(jù)你的電機(jī)空載啟動(dòng)占空比實(shí)測(cè)比如那臺(tái)電機(jī)需要35%占空比才開始轉(zhuǎn)那么低速段補(bǔ)償?shù)?0%左右再用PID微調(diào)。5.5 在線整定后系統(tǒng)發(fā)散現(xiàn)象是模糊PID運(yùn)行一段時(shí)間后突然開始震蕩然后速度失控。常見原因有兩個(gè)一是輸出限幅沒做好PWM占空比頂?shù)?00%后增量式PID的積分項(xiàng)還在往上累加但實(shí)際執(zhí)行已經(jīng)到頂?shù)鹊秸`差反向時(shí)積出的那一大坨又吐出來系統(tǒng)自然發(fā)散。解決方法是強(qiáng)制對(duì)實(shí)際占空比做限幅并且讓積分增量在接近限幅時(shí)逐漸減少這就是簡(jiǎn)單的抗積分飽和。另一個(gè)原因是模糊規(guī)則表里Kd修正量和Ki修正量在區(qū)間重疊處沖突。e為正、ec為負(fù)時(shí)表格里Kp還在增大同時(shí)Kd也在增大兩者疊加會(huì)讓系統(tǒng)在某幾個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)突變。解決方法是把規(guī)則表畫成曲線看一眼如果發(fā)現(xiàn)相鄰兩格之間的修正量差值超過兩個(gè)等級(jí)就做一下平滑。模糊PID不是規(guī)則越多越好表格里每一條突變都可能是一個(gè)不穩(wěn)點(diǎn)。6. 二次開發(fā)從速度環(huán)到位置環(huán)往上再走一步6.1 把速度環(huán)輸出變成位置環(huán)的內(nèi)環(huán)如果你做完了速度閉環(huán)最自然的擴(kuò)展是把速度環(huán)當(dāng)作位置環(huán)的內(nèi)環(huán)。位置環(huán)控制周期可以放慢到20ms或50ms因?yàn)槲恢铆h(huán)不要求太快的響應(yīng)相反太快會(huì)和速度環(huán)打架。位置環(huán)用簡(jiǎn)單的比例控制就能工作位置誤差 目標(biāo)位置 - 當(dāng)前累計(jì)位置然后輸出目標(biāo)速度給速度環(huán)。目標(biāo)速度限幅要設(shè)成速度環(huán)允許的最大值的70%否則內(nèi)環(huán)跟不上外環(huán)位置會(huì)過沖。int32_t position 0; // 由速度積分而來 float pos_ctrl_kp 2.5f; void PositionLoop_Update(float target_pos) { float pos_err target_pos - (float)position; float speed_ref pos_err * pos_ctrl_kp; // 限幅到速度環(huán)允許范圍 speed_ref CLAMP(speed_ref, -300.0f, 300.0f); target_speed (int16_t)speed_ref; }位置環(huán)P控制不要給太大Kp大了系統(tǒng)會(huì)震蕩Kp小了會(huì)慢慢爬但也能到位。這個(gè)項(xiàng)目里我還會(huì)把位置環(huán)輸出串一個(gè)低通濾波目的不是平滑而是讓速度環(huán)的輸入不會(huì)突變。位置環(huán)改好后你可以把小車的輪子轉(zhuǎn)圈數(shù)變成精確的V型?？炕蛘咦鲆粋€(gè)小型云臺(tái)的回中動(dòng)作。6.2 把模糊規(guī)則表改成可視化調(diào)整資源里的規(guī)則表是二維數(shù)組直接在代碼里改數(shù)組不直觀。我的習(xí)慣是導(dǎo)出一份CSV用表格軟件打開行是e列是ec表格里是輸出值的序號(hào)。改好后再轉(zhuǎn)成數(shù)組替換。每次調(diào)整完我還會(huì)把模糊查詢時(shí)命中的兩個(gè)集合編號(hào)打印出來確認(rèn)期望調(diào)整的那條規(guī)則確實(shí)被激活了。比如想讓誤差大時(shí)Kp更強(qiáng)就把(PM, ZO)和(PB, ZO)那兩個(gè)格子的值從PM改成PB而不是全表改。如果嫌灰度重心法太占Flash可以試試把整張模糊映射表預(yù)先算好存成一個(gè)一維數(shù)組輸入e和ec量化后直接查索引取輸出。這樣做運(yùn)算量減少到幾乎為零代價(jià)是規(guī)則變化時(shí)不能實(shí)時(shí)生效。對(duì)固定工況的項(xiàng)目這個(gè)預(yù)計(jì)算方案更實(shí)用對(duì)需要在線調(diào)參的保留原方案。6.3 驗(yàn)證方法用階躍記錄代替肉眼感受改完任何參數(shù)都要給系統(tǒng)做一次可量化的驗(yàn)證。最簡(jiǎn)單的是串口打印目標(biāo)速度和實(shí)際速度間隔100ms輸出一次然后在Excel里畫t-v曲線?？慈齻€(gè)指標(biāo)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。模糊自整定PID的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不是“看起來不抖”而是同一套參數(shù)下空載和帶載兩組曲線的超調(diào)量都能壓在20%以內(nèi)穩(wěn)態(tài)誤差在10RPM以內(nèi)。做完這些我再把模糊規(guī)則表導(dǎo)出來對(duì)著表格審視一遍。每次改完代碼我習(xí)慣強(qiáng)制自己記錄一次“改了哪條規(guī)則、量化因子改到多少、PWM限幅是多少”再讓系統(tǒng)跑一輪完整的負(fù)載擾動(dòng)測(cè)試。從那次因?yàn)闆]記錄第二天忘了調(diào)了哪個(gè)參數(shù)導(dǎo)致系統(tǒng)重新發(fā)散之后這個(gè)習(xí)慣就固定下來了。希望這套拆解思路也能幫你少走一段彎路跑的時(shí)候不翻車。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取