Motor fader PID kontrolü

Bir Arduino kullanarak motorlu bir fader (doğrusal slayt potansiyometre) kontrol etmeye çalışıyorum.
PID kontrolü, belirli bir hedef konuma "zıplamak" için iyi sonuçlar verir, ancak rampaları izlemek bir problemdir, hiç de pürüzsüz değildir. Ne denesem deneyim hareket çok sarsıntılı.

Bir rampayı izlerken referans pozisyonu, ölçülen pozisyon ve motor çıkışının bir çizimi:

Ve işte aynı testin bir videosu .

Ticari sistemlerde, çok daha düzgün görünüyor, bkz bu .

Ayrıntılar :
Motor fader bir Alps RSA0N11M9A0K'dır . Sürmek için, 10 V DC güç kaynağı ( XL6009 ) ile güçlendirilmiş bir ST L293D H köprüsü kullanıyorum . Arduino UNO'da (ATmega328P), duyulamaz hale getirmek için 31.372 kHz PWM frekansı ile 9 ve 10 pinlerini kullanıyorum (1 ölçeklendiricili Timer1,
TCCR1B = (TCCR1B & 0b11111000) | 0b001 ).
Potansiyometre, toprak ile 5V arasında bağlanır ve silecek her zamanki gibi ADC0'a gider.

Denetleyici :
1 kHz hızında güncellenen anti-windup özellikli basit bir PID denetleyicisi kullanıyorum (Ts = 1e-3 s):

float update(int16_t input) {
  int16_t error = setpoint - input;
  int16_t newIntegral = integral + error;
  float output = k_p * error 
               + k_i * newIntegral * Ts 
               + k_d * (input - previousInput) / Ts;

  if (output > maxOutput)
    output = maxOutput;
  else if (output < -maxOutput)
    output = -maxOutput;
  else
    integral = newIntegral;

  previousInput = input;
  return output;
}

Denetleyicinin çıkışı -127 ila 127 arasında bir değerdir. PWM çıkışı aşağıdaki gibi üretilir:

const int8_t knee = 48;

uint8_t activation(int8_t val) {
  if (val == 0)
    return 0;
  else {
    return map(val, 0, 127, 2 * knee, 255);
  }
}

void writeMotor(int8_t val) {
  if (val >= 0) {
    analogWrite(forward, activation(val));
    digitalWrite(backward, 0);
  } else {
    analogWrite(backward, activation(-val));
    digitalWrite(forward, 0);
  }
}

7 bit PWM sinyaline 48 ekledim, çünkü motor 31 kHz'de hareket etmeye başlıyor ve sonra 8 bit sayıya kadar ölçeklendiriyorum (çünkü analogWritefonksiyonun beklediği şey budur):

Ne denedim :
PID denetleyicisinin türev bileşenine giriş, kontrol sinyaline bir EMA filtresi eklemeye çalıştım, ancak boşuna. Ayrıca , durağan olduğunda iki değer arasında geçiş yapmasını durdurmak için histerezis kullanarak analog girişin çözünürlüğünü düşürmeyi denedim . Bu hiçbir şeyi etkilemiyor gibi görünmüyor. Zaman adımını 10 ms'ye çıkarmak da yardımcı görünmüyor.

Ayrıca MATLAB'da bir sistem tanımlaması yapmayı denedim ve Simulink'te ayarlamayı denedim (bu video serisini takiben) ). % 91 uygun bir model aldım, ancak MATLAB modelinin giriş ve çıkış doğrusallıklarının nasıl ele alınacağını, PID ayarını nasıl etkilediğini ve Arduino'ya nasıl uygulanacağını bilmiyordum.

Denediğim son şey iki farklı kontrolör yapmaktır: biri referans konumundaki büyük sıçramalar için ve diğeri bir rampa izlerken küçük hatalar için. Bu biraz yardımcı oluyor gibi görünüyor, çünkü o zaman izleme sırasında integral katsayısını, atlama sırasında aşmayı arttırmadan artırabilirim.
Bununla birlikte, integral (ve orantılı) kazancı artırarak, motor artık sabit olması ve referansın değişmemesi durumunda bile her zaman bir şeyler yapmaktadır. (Gerçekten hareket etmiyor, ancak titreşimli olduğunu hissedebiliyorsunuz.)
Neredeyse hiç türev kazancım yok, çünkü 1e-4'ten daha yüksek bir artış, onu daha da jerkier yapıyor gibi görünüyor ve 0 ile gerçekten arasında herhangi bir fark görmüyorum. 1e-4.

Benim tahminim, statik sürtünmenin üstesinden gelmek için daha fazla güce ihtiyaç duyması, daha sonra dinamik sürtünmenin daha az olması, bu yüzden aşması, bu yüzden motoru geriye doğru sürmesi, tekrar durmasına neden olması, tekrar statik sürtünmenin üstesinden gelmesi gerekiyor, tekrar ileri doğru ateş ediyor , vb.

Ticari denetleyiciler bu sorunun üstesinden nasıl gelir?

Geçmişim :
Elektrik Mühendisliği üçüncü lisans yılımdayım, kontrol teorisi, dijital sinyal işleme, LQR kontrolü vb. Dersleri izledim, bu yüzden teorik bir geçmişim var, ancak tüm bu teorileri uygulamakta sorun yaşıyorum bu gerçek dünya sistemi.

Düzenleme :
Açık döngü sensör ölçümlerini, laptop2d'nin önerdiği gibi test ettim ve sonuçlarla oldukça şaşırdım: Yüksek PWM frekanslarında, okumalarda kötü tepeler var. 490 Hz'de hiç yoktur.
Ve bu sürekli bir görev döngüsünde, bu nedenle motor yönü çok hızlı bir şekilde ters çevirdiğinde ne tür bir gürültü aldığımı hayal edemiyorum.

Bu yüzden kontrol cihazında tekrar çalışmaya başlamadan önce bu gürültüyü filtrelemenin bir yolunu bulmam gerekecek.

Düzenleme 2 :
Üstel hareketli ortalama filtresi kullanmak gürültüyü filtrelemek için yeterli değildi.

Polonyalıları 0,25, 0,50 ve 0,75'te denedim. Küçük kutuplar fazla etkiye sahip değildi ve daha büyük kutuplar çok fazla gecikme ekledi, bu yüzden sabit tutmak için kazançları düşürmek zorunda kaldım, bu da genel performansın daha kötü olmasını sağladı.

Potansiyometre boyunca (silecek ile toprak arasında) 0.1 µF kapasitör ekledim ve bu onu temizliyor gibi görünüyor.

Şimdilik, yeterince iyi çalışıyor. Bu arada Tim Wescott'un gönderdiği makaleyi okuyorum .
Yardımlarınız için hepinize teşekkürler.

Bir kontrol sistemi sadece sensör kadar iyidir, sensör açık döngüsünü çalıştırın ve kontrol girişini çıkarın. Sensöre kendi girişinizi oluşturun ve sensör olmadığından emin olmak için konum verilerini alırken yavaşça kaydırın (veya yavaşça güvenilir bir şekilde kaydırmanın bir yolunu bulun). Sensör gürültülü ise, yeni bir sensör alarak veya paralelleştirerek veya sensörün çıkışını filtreleyerek sensörün performansını artırın . Daha yüksek çözünürlüğe sahip bir sensöre ihtiyacınız olabilir.

Sensör gürültülü değilse, farklı bir kontrol döngüsü almanız gerekir. PID'ler birinci dereceden sistemlerdir ve hız kontrolünde gerçekten mükemmel değildir.

Sorunun sürtünmeden ya da muhtemelen sürtünme ve geri tepmenin bir kombinasyonundan kaynaklandığını doğru söylüyorsunuz. Çeşitli darbe genişlikleri için ortalama hız ve görev döngüsü grafiğiniz sürtünmeli bir sistemin karakteristiğidir. Bu makale ne gördüğünüzü açıklıyor ve sonsuza dek problemlerle başa çıkmak için kullanılan bir çözüm özetine sahip. Bunları mühendislik müfredatınızda görmeyeceksiniz çünkü analiz etmek zor; temelde onlarla birlikte çalışabilmeleri için duruma göre hareket etmelisiniz.

Ticari denetleyicilerin ne yaptığını bilmiyorum, ancak orada çeşitli çözümler olduğundan şüpheleniyorum. Geçmişte bunun gibi şeylerle yaptığım şey, PID kontrol cihazımdan gelen motor sürücü sinyali bir eşiğin altına düştüğünde (muhtemelen sizin durumunuzda 60 ila 70 sayım) Motor sürücüsünü eşikte, bir görevle atmaya başlıyorum ortalama sürücünün PID çıkışına eşit olmasını sağlayan çevrim. Bunun için genellikle bir sigma-delta-ish modülatörü kullanıyorum, çünkü çok az satırda uygulanabilir, ancak sizin için uygun olanla gidebilirsiniz.

Gürültünün büyük bir kısmı PWM sürücü sinyalinden geliyor gibi görünüyor.

ADC yakalamayı PWM döngüsüyle senkronize etmeyi denediniz mi? Çoğu mikro denetleyicinin zamanlayıcıda ADC yakalamasını tetikleme yolu vardır, böylece her zaman döngünün aynı noktasında tetikleyebilirsiniz.

En düşük gürültü için, motora güç verilmeden hemen önce optimum örnekleme konumu olacaktır, çünkü o zaman herhangi bir ani yükselme için en uzun süreye sahip olmuştur. Ancak konum ne olursa olsun, yakalamayı senkronize etmek ani düşüşleri azaltacaktır, çünkü ofset miktarı PWM döngüsünün aynı noktasında yaklaşık olarak aynı kalacaktır.

Bu yüzden kontrol cihazında tekrar çalışmaya başlamadan önce bu gürültüyü filtrelemenin bir yolunu bulmam gerekecek.

Sensör gürültüsünü (veya herhangi bir gürültülü ölçümü / değişkeni) aşağıdaki gibi bir kodla (düşük geçişli filtreleme) filtreleyebilirsiniz:

Nerede $0<<\alpha \leq 1$. 1'e daha yakın, daha pürüzsüz görünecek, ancak aynı zamanda daha fazla gecikme ekliyor, örneğin 0.9 değeriyle başlıyor ve nasıl davrandığını görüyor.