关于PID电机调速的疑惑

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 01:35:38

本人最近在苦心研究PID，所以经常三更半夜在思考一些问题，基本搞清楚PID每个参数的控制规律，刚才我在想如果我用位置式PID中的PD进行电机调速或者温度控制估计会有些问题，假如我是电机PWM调速，设定转数是100，当前转数是0，规定0%占空比位0转速，100%占空比为100转数，那么假如我只要PD来控制，那么根据P比例规律，当转速到达100时，P项的结果肯定是0，而D项微分是误差变化率，当转数到达100时，D项肯定也为0，因为误差变化率已经为零了，所以PD的结果最终是0，然而我要维持100的转数，PWM的占空比必须是100%，但是现在PD的结果在转数到达100的时候输出控制量已经为0了，这个好像有矛盾啊！！
我觉得应该在PD过程中需要累加控制量，这样当误差为0的时候，不至于控制量也为0，而是维持在一个恒定控制量（100%占空比）
或者在PD中加入I积分项，因为积分项是误差的累积，所以当PD都为0的时候，积分作用可以保存恒定的控制量输出（100%占空比）。

我翻阅了很多调速和温控的，程序基本都是离不开I积分项。没发现单独用PD来控制的。

ttoto · 发表于 2015-12-5 02:37:44

你看一下位置和增量的程序段。

leeloo · 发表于 2015-12-5 08:12:40

这种使用增量式PID就可以调节控制好

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 09:02:31

leeloo 发表于 2015-12-5 08:12
这种使用增量式PID就可以调节控制好

所以我想，我上面的猜测是不是对的？

jieao · 发表于 2015-12-5 10:04:12

PD控制系统稳态应该是有差，转速会低于你的设定值

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 10:38:27

jieao 发表于 2015-12-5 10:04
PD控制系统稳态应该是有差，转速会低于你的设定值

我描述的不是这个问题~~

jieao · 发表于 2015-12-5 12:37:30

myqiang1990 发表于 2015-12-5 10:38
我描述的不是这个问题~~

我指的是你的说法不对，PD的最终结果不会是0

673104326 · 发表于 2015-12-5 13:23:38

觉得你好像搞糊涂了。

PID的只是一个信号控制单元，还要对应一个输出级，这个输出级再驱动对应的控制对象，你的情况是电机，如果是温度那就是相应的加热器件。

PID的调节达到最终的稳定状态时，PID的输出本身应该就是0，不论是PI、PD还是PID，这时对应的只是一个很小的输出来维持稳定状态时的误差。

当转速为0的时候，PID的输出会比较大，对就的输出级应该占空比变化的比较快（也就是加速度比较大），可能在很短的时候时间内从0%到90%的占空比。

当快到100转速的时候，PID输出逐渐为零，输出级的占空比逐渐从90%到100%，但会花比较长的时间。

而最终到100转速的时候，对应的输出级是PWM稳定的状态，也就是100%的占空比，维持100的转速。

你只用PD也应该是这样的一个状态，只是可能会比较容易出现振荡的可能。

I 项是用来消除由各种原因引起的误差的，能让最终的设定的结果不易其它因素影响而能达到一个比较好的精度。

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 19:42:32

jieao 发表于 2015-12-5 12:37
我指的是你的说法不对，PD的最终结果不会是0

我觉得是零，你看，假如误差EK = 0，那么P*EK = 0，比例项为0了吧~~而D，D * （EK -EK1） = 0，因为误差变化相同，所以EK - EK1 = 0，所以微分项乘出来就为0啦，所以PD之后就为0呀~~P+D = 0啊。

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 19:48:32

673104326 发表于 2015-12-5 13:23
觉得你好像搞糊涂了。

PID的只是一个信号控制单元，还要对应一个输出级，这个输出级再驱动对应的控制对象 ...

好像不是都是输出0，假如PD中加入I积分项，貌似最终稳定后，PID输出的控制量不为0，因为I在不断累加，到达稳定值后，积分项应该是会维持在一个恒定值，所以PID出的来结果不是0~

673104326 · 发表于 2015-12-5 21:36:38

本帖最后由 673104326 于 2015-12-5 21:40 编辑

myqiang1990 发表于 2015-12-5 19:48
好像不是都是输出0，假如PD中加入I积分项，貌似最终稳定后，PID输出的控制量不为0，因为I在不断累加，到 ...

还是那句话，积分项是用来消除误差的，如果没有误差，最终的I项输出会是零。而实际中多少都会有一个误差，但这个误差也是逐渐减小的趋势，最后稳定在一个比较小的值。

不断累加不是说一直在累加正值，当实际值超过设定的值以后其实累加的是一个负值，所以积分项前期会越来越大，后期趋于稳定后会逐渐减小。

给你看一个我的控制温度的PID曲线图，自己再体会一下吧。

黄线是PID的输出，1V 对应驱动级0输出，2.2V对应驱动级最大的输出。蓝线是对应的温度。

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 21:41:43

本帖最后由 myqiang1990 于 2015-12-5 21:46 编辑

673104326 发表于 2015-12-5 21:36
还是那句话，积分项是用来消除误差的，如果没有误差，最终的I项输出会是零。而实际中多少都会有一个误差 ...

有点道理，，但是怎么会为0呢？那前期累加的结果跑哪里去了？假如响应曲线没有超调，也没有震荡~那I积分也是没有机会累加负值呀~~~我怎么都想不明白~~

你用的示波器竟然和我一模一样~~

673104326 · 发表于 2015-12-5 21:49:47

myqiang1990 发表于 2015-12-5 21:41
有点道理，但是如果响应曲线没有超调，也没有震荡，那I积分也是没有机会累加负值呀~~~

你用的示波器竟然 ...

那这种情况只能说是一个巧合，不断累加的积分项刚好等于各种因素的误差，然后使输出稳定。

但更多的时候，如果I项不为零并且比较大的值，那对应输出级会一直有一个比较大的值，而这个值如果一直累加下去可能会使输出达到最大，最后引起超调。。。。。。

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 21:52:24

本帖最后由 myqiang1990 于 2015-12-5 22:04 编辑

673104326 发表于 2015-12-5 21:36
还是那句话，积分项是用来消除误差的，如果没有误差，最终的I项输出会是零。而实际中多少都会有一个误差 ...

我也看到我这里的数值了，果然，当当前值接近设定之后，I的积分项果然是0，太TM神奇了~~累加正值，累到后面竟然是0！

看错了！是因我用串行PID，所以速度环的I值才会是0，单级PID，I积分到最后确实是不为0~~我现在在一个电机控制系统，用了位置环了速度环，位置环用了PD，速度环用了PI，位置环输出的是设定速度，输入到速度环做设定值~~控制起来效果还可以，只不过糊里糊涂就搞出来的，竟然效果还不错~

~只是到现在还有些PID的没搞清楚~所以要仔细分析一下这个过程~

673104326 · 发表于 2015-12-5 22:23:32

myqiang1990 发表于 2015-12-5 21:52
我也看到我这里的数值了，果然，当当前值接近设定之后，I的积分项果然是0，太TM神奇了~~累加正值，累到后 ...

位置环输出速度？

是一开始速度比较大，然后逐渐接近设定位置，位置环输出的值逐渐减小，到最后为零？

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 22:42:07

本帖最后由 myqiang1990 于 2015-12-5 22:46 编辑

673104326 发表于 2015-12-5 22:23
位置环输出速度？

是一开始速度比较大，然后逐渐接近设定位置，位置环输出的值逐渐减小，到最后为零？ ...

对的。。。虽然位置环开始输出很大的速度，但是有速度环，所以速度是加速--匀速--减速，这样变化的~最终电机以最快最合理的速度稳定的停在设定位置上，其实我在做伺服控制系统~~只不过我在控制步进电机~~发现PID真是个好东西~~控制起来，比我以前用的那种固定曲线加减速，要好很多很多~~非常棒！

gallop020142 · 发表于 2015-12-5 23:32:51

之前看过楼主很多步进方面的帖子，现在是带编码器的步进电机闭环控制是吧？

myqiang1990 · 发表于 2015-12-5 23:34:46

本帖最后由 myqiang1990 于 2015-12-5 23:45 编辑

gallop020142 发表于 2015-12-5 23:32
之前看过楼主很多步进方面的帖子，现在是带编码器的步进电机闭环控制是吧？ ...

不带，不用任何反馈装置（设备限制不能带任何反馈，其实有反馈，是编码器~只不过那个编码器分辨率极低~所以没办法用这个编码器做反馈的~~是另作他用的，不是用来PID反馈的~），用软件内部进行模拟闭环

~~（假闭环

）~~~步进电机的当前位置其实是可以用软件记住的（所以步进电机有这样的好处

）~速度也是可以用内部速度来做~所以是假闭环~明天来段视频~~给你看看效果~

myqiang1990 · 发表于 2015-12-6 00:01:50

gallop020142 发表于 2015-12-5 23:32
之前看过楼主很多步进方面的帖子，现在是带编码器的步进电机闭环控制是吧？ ...

视频拍倒了，凑合着看吧~，这个是就是串级控制的，我用了两个环，位置环和速度环（全部软件模拟的串级闭环）~~电机可以快速平稳的定位在行程范围内的任意一个位置~控制信号用DMX~可以任意随时切换切换目标位置~电机都会快速的跟随~

http://v.youku.com/v_show/id_XMTQwNTE2MzkwOA==.html

673104326 · 发表于 2015-12-6 09:15:02

myqiang1990 发表于 2015-12-5 21:52
我也看到我这里的数值了，果然，当当前值接近设定之后，I的积分项果然是0，太TM神奇了~~累加正值，累到后 ...

I项不为零并且比较大，要么是还没有达到最终的稳定状态，要么是这个值来驱动比较大的误差。

你为什么不都用PID，而是分别用PD和PI。PD应该是容易引起振荡，PI稳定的时间会比较长。

jieao · 发表于 2015-12-6 10:00:34

myqiang1990 发表于 2015-12-5 19:42
我觉得是零，你看，假如误差EK = 0，那么P*EK = 0，比例项为0了吧~~而D，D * （EK -EK1） = 0，因为误差 ...

你去看看论坛那篇pid温度控制的帖子吧，里面有PD控制的响应曲线

gylg3344love · 发表于 2015-12-6 10:44:53

myqiang1990 发表于 2015-12-6 00:01
视频拍倒了，凑合着看吧~，这个是就是串级控制的，我用了两个环，位置环和速度环（全部软件模拟的串级闭 ...

软件不错
可以分享一下吗?

pangbin4 · 发表于 2015-12-6 11:25:14

看着过隐啊！学习！

lngdzph · 发表于 2015-12-6 12:14:55

使用PD控制，被控对象输入输出之间要有积分环节。

desertsailor · 发表于 2015-12-6 12:23:14

不用积分会有稳态误差

gallop020142 · 发表于 2015-12-7 09:36:29

myqiang1990 发表于 2015-12-6 00:01
视频拍倒了，凑合着看吧~，这个是就是串级控制的，我用了两个环，位置环和速度环（全部软件模拟的串级闭 ...

效果相当赞啊！

zaldy30 · 发表于 2015-12-8 13:53:06

myqiang1990 发表于 2015-12-6 00:01
视频拍倒了，凑合着看吧~，这个是就是串级控制的，我用了两个环，位置环和速度环（全部软件模拟的串级闭 ...

视频中你手上拿着的是鼠标，用滚轮控制吗？

s15200380596 · 发表于 2015-12-11 20:45:16

楼主，请问串级PID为什么I会累计到0？

myqiang1990 · 发表于 2015-12-12 09:38:34

s15200380596 发表于 2015-12-11 20:45
楼主，请问串级PID为什么I会累计到0？

因为速度环输出的是速度，那么位置环输出的速度应该是一个大到小的数据（控制量是大到小，被控量（速度）是小到大的变化，加速过程~），那么在前期加速阶段~速度环的积分项会累加正数，当位置环开始减速的时候，速度环会累加负数，最终电机接近目标，速度刚好将到0~~举个例子：
当有个阶跃响应输入到串级PID,位置环了速度环是这样响应的：
位置环控制量输出(速度环的设定速度)：100，99，98,97,96..................0
速度环控制量输出(输出的最终速度):0,1,2,3,4,5,6...100,99,98,97,96,...0

xuyaqi · 发表于 2015-12-12 11:07:09

希望楼主把控制算法写出来否则讨论没有依据。

zawdr825 · 发表于 2016-1-26 19:46:50

收藏，回头细看

kinsno · 发表于 2016-1-26 20:00:32

本帖最后由 kinsno 于 2016-1-26 20:02 编辑

电机调整，PID；
其实，我是来打酱油的；
PS：晕，去年12月份的，这谁挖出来的贴子；

1069182055 · 发表于 2016-1-27 15:35:46

学习中，fighting。。

holdkcsxym · 发表于 2016-3-12 16:00:00

本帖最后由 holdkcsxym 于 2016-3-12 16:05 编辑

楼主精神可嘉，我也在做类似项目，速度/加速度前馈可以改善跟随效果。

myqiang1990 · 发表于 2016-3-12 20:22:45

holdkcsxym 发表于 2016-3-12 16:00
楼主精神可嘉，我也在做类似项目，速度/加速度前馈可以改善跟随效果。

恩~到时研究研究前馈看看~~

suny1022 · 发表于 2016-3-18 08:47:07

myqiang1990 发表于 2016-3-12 20:22
恩~到时研究研究前馈看看~~

能请教一下你的虚拟闭环怎么弄的吗，我现在也在做步进电机的项目

myqiang1990 · 发表于 2016-3-18 12:22:03

suny1022 发表于 2016-3-18 08:47
能请教一下你的虚拟闭环怎么弄的吗，我现在也在做步进电机的项目

利用步进电机位置和速度已知的特点，进行模拟闭环~

stevenniu500 · 发表于 2016-3-18 13:55:40

myqiang1990 发表于 2016-3-18 12:22
利用步进电机位置和速度已知的特点，进行模拟闭环~

想半天搞不懂的是，步进电机不是通过脉冲频率来控制的吗。如何用pwm占空比来控制转速呢？

myqiang1990 · 发表于 2016-3-18 14:21:54

stevenniu500 发表于 2016-3-18 13:55
想半天搞不懂的是，步进电机不是通过脉冲频率来控制的吗。如何用pwm占空比来控制转速呢？ ...

PWM脉冲--->斩波恒流驱动器-->电机~~PWM用来控制流过电机的平均电流的~脉宽越大~流过电机的平均电流就越大，反之亦然，你就想着，PWM脉冲吧0到1和1到0的脉冲分解成很多很多级来逼近吧~PWM脉宽不是用来控制电机速度的~而是控制电机的平均电流~这个可以用来调节电流的大小，更重要的是，可以对电机进行细分驱动！因为细分就是调节电机相位间的电流大小按照正弦波变化~

简单的说：1.调节PWM脉宽是调节流过电机平均电流大小。
2.调节PWM脉宽变化的速度是调节电机转速的。

其实还有很多种驱动方式：脉冲+方向，PH/EN,PWM方式~很多雕刻机上用的就是脉冲+方向的驱动的~值管发脉冲就可以了，细分硬件内置的~TB6560就是这种驱动方式~还有很多驱动器是不带硬件细分的~所以需要外部实现~

stevenniu500 · 发表于 2016-3-18 15:17:59

奥，那这样的话，就是说，通过调节PWM脉宽变化的速度来实现PID的模拟调速。那么也就是说通过在运行过程中，PWM的变化形成了电流的变化，进而电流的变化形成细分的变化，从而实现了电机速度的变化。那么如果我要是走行程的的话，因为细分的改变，我依然走固定的步数。如何预测要走长的距离呢？因为细分变了，步长也就变了。
我理解的是不是有问题啊？？

myqiang1990 · 发表于 2016-3-18 17:06:25

本帖最后由 myqiang1990 于 2016-3-18 17:19 编辑

stevenniu500 发表于 2016-3-18 15:17
奥，那这样的话，就是说，通过调节PWM脉宽变化的速度来实现PID的模拟调速。那么也就是说通过在运行 ...

调速的过程中并没有改变细分数，只不过是加快了PWM脉宽变化的速度而已啊，好好理解这段话，举个例子，1到100的数，你用5秒钟从1读到100的速度会比用10秒从1读到100的速度快把？但是个数还是没变的，还是100个数，我楼主位的举例并非是步进电机调速，我只是举个PWM调速的例子来说明PID的一些疑惑而已，楼主不要把他想到步进电机去了~

tangpeng · 发表于 2016-3-22 11:11:09

收藏学习

xuxueliang · 发表于 2016-3-22 17:06:53

myqiang1990 发表于 2016-3-18 14:21
PWM脉冲--->斩波恒流驱动器-->电机~~PWM用来控制流过电机的平均电流的~脉宽越大~流过电机的平均电流就越 ...

看完了这个帖子，感觉大有收获，非常感谢。
有两点疑问，希望能解惑一下
1.既然楼主是位置环和速度环串联带动步进电机，而且PWM的占空比等效电机电流。是不是说楼主在PID控制的过程中，一直控制步进电机的等效电流恒定的吗？还是说另外还有一环电流环来控制步进电机的等效电流。
2.步进电机随着转速的升高，内部反电动势增加，导致实际的有效电流变小，从而是电机力矩下降，对于这一点，楼主在这个PID控制中，如何克服的？

myqiang1990 · 发表于 2016-3-22 20:23:39

本帖最后由 myqiang1990 于 2016-3-22 20:41 编辑

1.我控制的是两项电机，两项电机的电流按照相位相差90度变化的正弦波变化来细分，恒流是靠驱动IC自己产生的，所以没有电流环，实际得电流环在驱动IC内部，IC每相输出都有电流检测取样脚来自己做电流闭环，其实就是斩波恒流，再者我这个不是真正的闭环，是假的，我只要在MCU端控制电流，驱动IC会自动恒流在我设定的电流上。
2.这个克服不了，只能在调速过程中，你可以根据实际速度和调试经验，改变PWM最大占空比值，也就是正弦波峰值大小，来改变流过电机的最大电流，以保证该速度下电机还有很大的力矩输出（这个靠经验），IC能输出多大的电流，要根据你在驱动IC端设定的最大电流值额定，这个有计算公式，在IC的datasheet中。

举个例子：我设计图纸的时候设定IC的最大输出电流是1A，那么100%占空比的正弦波，应该可以输出最大1A（可能因为电机线圈电感的问题没达到1A，实际电感值越大，电机速度越快，这个问题越明显，这个问题在MCU控制端没办法解决），那么我现在设置成50%占空比的正弦波，也就是现在正弦波的峰值变为原来的一半了，那么应该可以输出500MA的最大电流，实际在MCU端是这样控制电流大小的。
下面这个图是10级电流的正弦波图，你可以看到，波的峰值是按照恒定的比例下降的，峰值最高的那个电流最大，峰值最小那个电流最小，这样可以达到控制电流的目的，因为电流变化都是按照相位差90度变化的，所以两项合成的电流矢量并没变化，也就是说合成后的角度是没变化的，还是转过那么多角度，只不过力矩变小了，也就是电机力气变小了。

xuxueliang · 发表于 2016-3-22 21:35:39

感谢耐心的详细的解答。我这样理解你的意思，不知道对不对。首先，速度与电流一一对应，这个对应关系是经验或通过实验一一找出来的。第二，如果这个算法正常运动了上百次，没有丢步的现象，我们可以认为速度的反馈是真实的可用的，位置反馈也是这样，也就意味着，既然速度是对的，给定速度相应的电流，就也没有问题了。

myqiang1990 · 发表于 2016-3-22 21:42:21

xuxueliang 发表于 2016-3-22 21:35
感谢耐心的详细的解答。我这样理解你的意思，不知道对不对。首先，速度与电流一一对应，这个对应关系是经验 ...

是可以怎么理解的，用速度来对应电流的调节，不过我声明一点：我19楼视频确实串级PID，但是PID并没有任何外部反馈，而是利用步进电机位置和速度已知的特点，在软件内部进行模拟外部闭环反馈，所以，软件是没办法知道外部电机到底丢步没有，电流达到没有的，就是你说的，完全是靠经验和不断的实际调试，看电机丢步没有？目标跟随能力是否合自己的期望？来判定当前这个程序有无问题~

mainbp · 发表于 2016-4-29 22:11:43

看了楼主的这个帖子，有个想法用在6步控制的直流无刷电机上，你看这样是否可行
1：速度环串电流环
速度环输出：1改变pwm周期，2做电流环输入；
电流环输出：改变pwm占空比，只要将pwm占空比按照正弦变化来查表输出，限制电流就像你上面说的，改变正弦划分的最大占空比；
如果可行，那么有个疑问，速度环与电流环是用PI/PD/PID？

likin · 发表于 2016-5-24 17:22:02

mark 一下

shinemotou · 发表于 2016-7-27 17:52:05

myqiang1990 发表于 2016-3-22 21:42
是可以怎么理解的，用速度来对应电流的调节，不过我声明一点：我19楼视频确实串级PID，但是PID并没有任何 ...

楼主给点PID的参考学习资料呗

tj00498 · 发表于 2016-10-18 18:30:19

myqiang1990 发表于 2015-12-5 22:42
对的。。。虽然位置环开始输出很大的速度，但是有速度环，所以速度是加速--匀速--减速，这样变化的~最终 ...

楼主，还在否，位置环怎么输出速度量呢，同一个PID输入输出不是同一个因素吗

1069182055 · 发表于 2016-12-21 13:29:21

mainbp 发表于 2016-4-29 22:11
看了楼主的这个帖子，有个想法用在6步控制的直流无刷电机上，你看这样是否可行
1：速度环串电流环
速度 ...

无刷电机不是调个占空比就完了，比步进电机简单多了

1069182055 · 发表于 2016-12-21 16:39:29

myqiang1990 发表于 2015-12-12 09:38
因为速度环输出的是速度，那么位置环输出的速度应该是一个大到小的数据（控制量是大到小，被控量（速度） ...

楼主有一点感觉很不明白，，为什么最后停下了的时候刚好到目标位置速度又变成0了喃，通过简单串级pid就可以实现吗不考虑加减速了吗？

litiang · 发表于 2017-1-6 10:00:58

什么位置环如何设定速度速度环的 P怎么取

litiang · 发表于 2017-1-6 10:03:30

刚才写错了，位置环如何设定速度环的目标速度，位置环=PD P怎么取还有速度环的 PI 那么速度环的 P是怎么取的 I积分用来做什么 I每一次速度的偏差都累加吗，这样做什么意义

fs2011 · 发表于 2017-7-27 13:52:32

厉害厉害！！！！！！！！！！

doujiang · 发表于 2019-6-27 17:43:58

试了下楼主提的串级PID伪闭环步进电机控制思路，V-T曲线效果并不理想，不知道是不是哪里弄错了，楼主能否提点一下呢，感谢！

土三安 · 发表于 2019-6-27 18:24:58

mark，等了解PID后在来回头看。

dam · 发表于 2019-8-3 23:18:48

收藏，回头细看

abc447876239 · 发表于 2019-12-19 10:54:42

楼主牛笔啊，先给您跪下，然后再谈事情，能共享点代码看看吗

whatcanitbe · 发表于 2019-12-20 12:59:56

abc447876239 发表于 2019-12-19 10:54
楼主牛笔啊，先给您跪下，然后再谈事情，能共享点代码看看吗

这么严重？

天下乌鸦一般黑 · 发表于 2019-12-20 13:03:16

whatcanitbe 发表于 2019-12-20 12:59
这么严重？

太考验楼主了。。。

关于PID电机调速的疑惑

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