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[提要] 從我構(gòu)思圓夢小車的第一天起，我就把實現(xiàn)小車速度PID控制作為目標(biāo)之一，前面雖做過多次嘗試，但均不滿意，故無意示人，此次總算是基本如愿了，在此與大家分享。
一、背景
從我構(gòu)思圓夢小車的第一天起，我就把實現(xiàn)小車速度PID控制作為目標(biāo)之一，也許是我出身于自動控制專業(yè)的情結(jié)吧。
在我寫的第一組關(guān)于智能小車的文章中（“尋跡小車 FollowMe”），就期望能實現(xiàn)小車 PID 調(diào)速，并且參照《電動機(jī)的單片機(jī)控制》一書寫了相應(yīng)的測速和控制程序，但不幸的是，沒有實現(xiàn) ，當(dāng)初以為是測速的分辨率過低（只有10個脈沖/輪子轉(zhuǎn)一圈）。
后來將小車升級，用開模具方式大大提高了測速的精度，推出了圓夢小車第一代。測速精度達(dá)到了每轉(zhuǎn) 50個脈沖（如果用前后沿檢測，可以達(dá)到100個脈沖），但略作嘗試后還是沒有實現(xiàn)，似乎沒有找到問題的根源。
準(zhǔn)確的說應(yīng)該是我沒有掌握PID控制程序，我雖是學(xué)習(xí)自動控制出身，但畢業(yè)后從未實際應(yīng)用過PID控制，所有知識局限于當(dāng)初學(xué)校的實驗，這也是我一直想在小車上實現(xiàn)PID的動機(jī)之一：一個學(xué)自控的居然沒有在現(xiàn)實中運用PID的能力，汗顏啊！
因為無力而為，所以在“圓夢小車StepByStep”系列文章中，就跳過了這一段內(nèi)容。但心未死，想借助小車客戶中的高手之力完成之，為我打破這個僵局，可小車倒是送出去幾套，PID調(diào)速還是杳無音訊，無語！
隨著小車進(jìn)化至第三代（輪式驅(qū)動單元）、第四代（FIRA小車），將PID調(diào)速的夢想實現(xiàn)的愿望越加強(qiáng)烈！為此，還找了朋友介紹個熟人幫忙，本來信心滿滿，因為朋友說這個人參加了 Freescale 智能車大賽，其中就用到了PID調(diào)速。為此我又送出了一套第四代圓夢小車，更令我失望，連回音都沒有，郁悶！
這一切迫使我自己去嘗試！看來這種沒有多少經(jīng)濟(jì)利益的事少有人問津，但愿是這個原因，而不是由于無能。
轉(zhuǎn)機(jī)緣于一個買了“輪式驅(qū)動單元”的客戶（現(xiàn)在是朋友了），他告訴我，參考 Arduino 所提供的 PID 庫函數(shù)實現(xiàn)了“輪式驅(qū)動單元”的調(diào)速，而且效果不錯。（Arduino 是一個基于AVR單片機(jī)的開源平臺，經(jīng)過幾年發(fā)展，目前資源十分豐富）
我急切的下載了 Arduino 的PID 庫函數(shù) ，發(fā)現(xiàn)很有價值，就著手嘗試了，以下便是實施的過程。
二、PID庫函數(shù)的消化和移植 （由于排版麻煩，略，有興趣可下載 PDF 文檔） 三、嵌入程序前的準(zhǔn)備 …… 因為PID控制的基礎(chǔ)是以周期T測量，計算出偏差后修正輸出。而測量周期不能太長，那樣響應(yīng)將滯后；但過短也沒有意義，因為對象的慣性特征，導(dǎo)致極小的時間間隔中不會有變化。
根據(jù)小車電機(jī)的驅(qū)動特性，100ms左右的周期比較合適。
但小車的測速碼盤是直接設(shè)計在輪轂上的，雖說每轉(zhuǎn)有100個脈沖（輪式驅(qū)動單元），但相對于那些設(shè)計在電機(jī)輸出軸上的高級編碼器而言，分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。按 目前小車的減速箱設(shè)計，對于1：48減速箱，最快時100ms 約34個脈沖，而1：120減速箱才不到14個脈沖，如果調(diào)速范圍設(shè)置為50% 到 100% ，則脈沖數(shù)更少，分辨率無法滿足控制的要求，如果再降低周期，則更無法得到可靠的控制反饋了。
為此，首先得解決測速的分辨率問題，因為控制速度屬于運轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)時的任務(wù)，在起、停過程通常不需要。而正常運轉(zhuǎn)時，相鄰2個脈沖的周期不會變化很大，故可以 據(jù)此利用前一周期的數(shù)值作為倍頻的依據(jù)，詳細(xì)算法此處不再贅述，有興趣者可以到我在GoogleCode上設(shè)立的開源項目：http://code.google.com/p/fira-mirosot-robot/ 中下載：
http://code.google.com/p/fira-mirosot-robot/downloads/detail?name=Introduction%20B%20-%20Hardware%20of%20the%20Smart%20Car.pdf&can=2&q=
其原理示意如下圖：
四、將PID計算嵌入程序 …… 五、PID參數(shù)整定前的準(zhǔn)備 從搜集的PID參數(shù)整定方法的資料看，多數(shù)需要能記錄速度變化的趨勢，也就是所謂的“對象動態(tài)特性”測量，或者說是“沖擊響應(yīng)”測量。
既然小車內(nèi)部已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化的速度檢測，且有通訊接口，為何不將速度送到PC機(jī)上，利用PC機(jī)顯示速度變化曲線，從而得到整定參數(shù)的依據(jù)。
可我PC機(jī)上的圖形編程能力太菜，虧得有個好友幫忙，為我寫了一個圖形顯示程序，使速度顯示成為現(xiàn)實。（由衷表示感謝！）
為了配合這個功能，在小車控制程序中增加了速度輸出，每次測量（20ms）都將速度結(jié)果送出，PC機(jī)根據(jù)這些速度數(shù)據(jù)繪出速度隨時間的變化曲線：
六、參數(shù)整定過程 輪式驅(qū)動單元第二版驅(qū)動很方便，用串口可以容易的控制，為了簡化操作，是空載方式測試的，我用無線方式試驗過，有載（裝在小車上）效果更好。下圖為空載調(diào)試方式：
從各類參數(shù)整定方式中，我感覺那個“齊格勒—尼克爾斯經(jīng)驗法”比較容易實施，就按那個進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整，先關(guān)閉積分和微分作用，只保留P，在電機(jī)可以工作的 下限速度進(jìn)行整定（因為我試過，如果在偏高的速度整定，則在低速工作時會振蕩，還無能力解釋），逐漸加大P使速度發(fā)生振蕩，如下圖:
此時得到臨界比例系數(shù)Pd，從圖上得到振蕩周期T ，根據(jù)“齊格勒—尼克爾斯經(jīng)驗法”：
Kp Ki Kd
P 控制： 0.5Pd
PI控制： 0.45Pd 0.83T
PID控制： 0.6Pd 0.5T 0.125T 計算出PID系數(shù)，Pd = 22 ，T = 300ms ，按PID控制計算，得到：
Kp = 1.3， Ki = 0.15秒 Kd = 0.03秒 設(shè)置到程序中后，基本可以了，只是微分系數(shù)需要略作調(diào)整（降低到0.02秒，否則有些振蕩），設(shè)置后的速度曲線為：
七、結(jié)語
當(dāng)時得到這個結(jié)果時，我倍感很神奇！
因為早期的一件事讓我對PID系數(shù)的配比感到神秘莫測：曾經(jīng)按照老外的示例做了個LEGO的兩輪平衡車，他也是用的PID控制，區(qū)區(qū)幾行程序，小車就站起來了。可是我將他的三個系數(shù)隨便一改，哪怕是略作調(diào)整，小車就趴下了，很是靈驗。
那時我就對PID系數(shù)的整定心存敬畏，同時也一直想嘗試?yán)贸绦蚴蛊渥兊貌荒敲瓷衩亍?br />
這次嘗試總算了結(jié)了我的心愿，爽！
借助這個工具，應(yīng)該可以解決許多需要PID控制的問題，如兩輪平衡、差分驅(qū)動小車走直線等，只要程序中能測出偏差；而這是必須的，否則PID控制也無從談起。
但愿此嘗試能起到拋磚引玉作用，使我們的愛好者們、多數(shù)大學(xué)生們所做的小車也能像那個外國人做的繞著茶杯轉(zhuǎn)的小車那樣流暢：
而不是只有參加FreeScale智能車大賽的同學(xué)才能做到。
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南京嵌入之夢工作室
2011年4月23日星期六 用 CamStudio 錄制的 PID 調(diào)速動態(tài)過程： 使用 1：120 減速箱：
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