學界盟初賽匯報

1、 2016 2016年貝加萊學界聯(lián)盟初年貝加萊學界聯(lián)盟初 貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 20212021年年1111月月7 7日日 賽匯報賽匯報薈萃家園隊薈萃家園隊貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 匯匯 報報 內內 容容china university of petroleum賽題分析與隊員分工賽題分析與隊員分工系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型的建立控制算法的選擇控制算法的選擇控制系統(tǒng)的實際測試結果控制系統(tǒng)的實際測試結果1234初賽總結與心得體會初賽總結與心得體會 56貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 賽題分析與隊員分工賽題分析與隊員分工china univers

2、ity of petroleum1.11.1初賽賽題簡析初賽賽題簡析如上圖所示，初賽的主要工作是設計一款以速度為輸出的控制器，當施加一定的干擾之后（風速），擺錘開始擺動，此時開啟控制器讓擺錘盡快停止擺動，通過擺錘停止擺動的快慢以及運動過程中的擺動偏差來檢驗控制系統(tǒng)的設計效果。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 賽題分析與隊員分工賽題分析與隊員分工china university of petroleum1.3 1.3 隊員的分工與任務安排隊員的分工與任務安排l 學會運用as軟件，熟練掌握軟件中的相關操作l 學會運用matlab自動生成能夠在as中直接運行的c語言代碼l 根據簡易防搖裝

3、置的物理結構搭建數學模型l 探索不同控制算法的控制效果，選擇一套最合適的控制系統(tǒng)1.2 1.2 初賽需要完成的主要工作初賽需要完成的主要工作l 隊伍組建：l 前期的準備工作：集體學習as軟件以及matlab軟件，探討建立數學模型的方法l 中期的主要工作：根據得到的數學模型，分別實驗不同的控制算法l 后期工作：選擇最佳的控制算法，撰寫初賽匯報文檔貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型的建立china university of petroleum2.1 2.1 模型分析模型分析左圖為簡易防搖裝置的實物圖，在建模的過程中可將其等效成一個移動的小車和一根擺動的桿，而忽律

4、直線導軌、電機以及摩擦可能帶來的潛在影響。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型的建立china university of petroleum2.2.模型的建立模型的建立小車受力分析圖小車受力分析圖集裝箱受力分析圖集裝箱受力分析圖貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型的建立china university of petroleum2.2.模型的建立模型的建立c=貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選擇控制算法的選擇3.1 3.1 控制算法的初步學習控制算法的初步學習在初賽階段，本組成員學習了多種不同的控制算法，其

5、中遠天夢主要學習了h范數控制 和模糊pid控制，張洪存主要學習了dmc（動態(tài)矩陣）控制，易炳長主要學習了lqr，組內成員共同學習了pid控制。其中本隊將重點介紹傳統(tǒng)的pid控制和lqr+pid共同控制。3.2 3.2 不同控制算法的比較分析不同控制算法的比較分析3.2.13.2.1傳統(tǒng)傳統(tǒng)pidpid控制控制china university of petroleum貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選擇控制算法的選擇傳統(tǒng)的pid控制由比例（p）、積分（i）和微分（d）三個環(huán)節(jié)組成，其根據反饋的偏差信號來不斷調整三個參數，以取得最佳的控制效果。根據傳統(tǒng)的pid結構，本組搭建

6、了下圖所示的帶有as接口的pid控制器，進行簡易的參數配置之后便可直接轉換生產能夠在as中運行的c語言代碼。帶有帶有as接口的接口的pid仿真圖仿真圖china university of petroleum貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選擇控制算法的選擇本組在調試pid參數的過程中，總結出pid三個環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例的反應偏差信號，只要偏差一產生比例環(huán)節(jié)就能發(fā)揮作用。比例系數kp越大，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減小，但是不能最終消除穩(wěn)態(tài)誤差，此外比例系數kp過大還易產生超調。（2）積分環(huán)節(jié)：有利于消除靜差，提高系統(tǒng)無

7、差度，能夠有效的改善系統(tǒng)的控制精度。但是當積分值過大時，容易產生積分飽和問題，從而使調節(jié)精度降低。此外積分環(huán)節(jié)還會增加系統(tǒng)的超調量，增加調整時間的長度。（3）微分環(huán)節(jié)：可以反映偏差信號的變化趨勢，能夠及時引入修正信號，提高系統(tǒng)的效率，減小系統(tǒng)的動態(tài)誤差，但是微分值過大會導致延長時間迅速增加，使得系統(tǒng)的抗干擾性減弱。china university of petroleum貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選擇控制算法的選擇3.2.2 lqr+pid3.2.2 lqr+pid控制控制lqr (linear quadratic regulator)即線性二次型調節(jié)器，其對象是

8、現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng)，而目標函數為對象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數。lqr最優(yōu)設計是指設計出的狀態(tài)反饋控制器 k要使二次型目標函數j 取最小值，而 k由權矩陣q 與 r 唯一決定，故此 q、 r 的選擇尤為重要。lqr對模型的精度有較高的要求，只有在得到模型準確的狀態(tài)方程之后才能精確的求出反饋矩陣k。之所以選擇lqr是因為前面所設置的pid控制只有在單獨控制角度theta時才能取得不錯的效果，而無法兼顧控制位移。而lqr可以實現(xiàn)同時控制角度和位移，故在設計控制器的時候本組便嘗試將lqr和pid放在一起對模型進行控制。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選

9、擇控制算法的選擇帶有帶有as接口的接口的lqr+pid控制器的仿真圖控制器的仿真圖本隊設計選擇了lqr與pid并行相加的結構框架，其主要目的便是實現(xiàn)角度與位置的雙重控制。在進行代碼轉換之前需對其中的模塊進行配置，并運行下頁的m文件，求取lqr控制所需的k矩陣。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制算法的選擇控制算法的選擇在轉換生產c語言代碼之前，需運行如下所示的m文件，求取k矩陣。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制系統(tǒng)的實際測試結果控制系統(tǒng)的實際測試結果china university of petroleum4.14.1代碼轉換所得結果代碼轉換所得結果pid控制器

10、轉換之后得到的程序代碼控制器轉換之后得到的程序代碼代碼轉換之后，將在原有的as工程項目下添加一個名為control的項目，所設計控制系統(tǒng)轉換得到的c語言程序均在該項目下。此外由于pid控制系統(tǒng)中設置了p、i、d三個全局變量，故需在得到了轉換的代碼之后，在globar.var中添加這三個變量，調試時也可在此處直接更改p、i、d三個參數的值。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制系統(tǒng)的實際測試結果控制系統(tǒng)的實際測試結果china university of petroleumlqr+pid控制器轉換之后得到的程序代碼控制器轉換之后得到的程序代碼左圖中mytest1為simulink中設

11、計的lqr+pid控制器轉換之后自動生產的代碼，zhc目錄下是自行編寫的c語言程序，其主要目的是求取角加速度，并將該變量作為lqr全反饋的一個輸入值。其原理是將相鄰兩個采樣時刻角度值的變化量除以任務的循環(huán)周期10ms，從而近似將其等效為該時刻的角加速度值。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制系統(tǒng)的實際測試結果控制系統(tǒng)的實際測試結果china university of petroleum4.2 4.2 兩種控制系統(tǒng)的實際控制效果比較兩種控制系統(tǒng)的實際控制效果比較pid控制器的實際控制效果圖控制器的實際控制效果圖由上圖可知采用pid控制時，在受到干擾之后擺桿在較短的時間內回到初始位

12、置，在該過程中擺桿的角度擺動范圍也較小，在調整的過程中小車的最大速度為-3m/s左右，未超過5m/s，因此符合比賽的要求。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制系統(tǒng)的實際測試結果控制系統(tǒng)的實際測試結果china university of petroleumlqr+pid控制器的實際控制效果圖控制器的實際控制效果圖采用lqr+pid控制時，在受到干擾之后擺桿回到初始位置的時間要明顯長于傳統(tǒng)pid控制，此外其在調整過程中的擺動幅度也要高于傳統(tǒng)的pid控制，但是其也能起到一定的控制效果，并且小車的速度也在允許的范圍之內。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 控制系統(tǒng)的實際測試結

13、果控制系統(tǒng)的實際測試結果china university of petroleum4.3 4.3 兩種控制方案的優(yōu)缺點分析以及最終方案的確定兩種控制方案的優(yōu)缺點分析以及最終方案的確定（1）pid控制的優(yōu)缺點：控制的優(yōu)缺點：pid控制不需要精確的數學模型，并且也能夠取得極好的控制效果。但是pid參數調試的工作量較大，而且單pid也無法實現(xiàn)位置和角度的雙重控制，因此在決賽階段，單pid控制是不可行的。（2）lqr+pid控制的優(yōu)缺點控制的優(yōu)缺點：lqr+pid可以實現(xiàn)位置和角度的雙重控制，但是由于其對模型的精確度要求較高，本隊在調試的過程中并沒有取得理想的效果。在初賽階段如果只需實現(xiàn)對角度控制的話

14、，lqr+pid控制的效果還不如純pid控制的效果好，因此其僅僅為決賽的題目做一定的探索與準備。根據初賽的要求和本隊運用兩種控制方案分別所得到的調試結果，本隊根據初賽的要求和本隊運用兩種控制方案分別所得到的調試結果，本隊最終確定的是采用傳統(tǒng)的最終確定的是采用傳統(tǒng)的pid控制。控制。貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報貝加萊學界聯(lián)盟初賽匯報 初賽總結與心得體會初賽總結與心得體會china university of petroleum初賽階段本隊主要遇到了如下問題：初賽階段本隊主要遇到了如下問題：l as軟件的使用問題，剛開始時對as軟件的使用不夠熟悉，不會運用simulink自動生產能在as中執(zhí)行的c語言代碼l 模型的建立過程中有一些參數沒有掌握l 對一些控制算法的原理理解的不夠透徹，在控制算法學習和選擇方面花費了巨大的精力和時間初賽心得體