【平衡小车】【串级PID参数整定】【详细版】根据现象手动调整平衡小车的PID

简介：二轮平衡小车的控制分为平衡环（又称为直立环，保持稳定角度）、速度环（用来保持稳定时速度为零）以及转向环（用来无转向命令时调整走直线），下面详细介绍各环PID参数的整定
硬件准备：平衡小车之家的小车底盘，STM32F1，电机驱动模块，MPU6050等
软件准备：简化后的平衡小车代码（关闭了蓝牙功能等),上位机示波器（观察角度）
一、直立环PID
直立环是为了保持平衡小车维持在机械中值，先插入机械中值的确定：
根据每个人搭建的平衡小车不同，小车的物理参数（如重心、质量）也会变化，确定机械中值是，先将小车从后往前仰
直到小车到达临界状态恰好向前倾倒，记录此时角度值1（通过OLED或者串口显示出来，这里我用的是串口显示）
同理反向操作一遍（从前往后倾倒）得到临界角度值2，取二者平均值记为中值
由于小车直立环更需要超前调节（D)，而不太需要弥补性质的积分调节(I),所以大多直立环都是PD控制，关于P的确定：
首先确定P的极性，也就是P参数在你的控制函数里的正负：清零其他参数，设置P=+1，如果向前倾，车轮前转，则极性正确，反之错误（车轮需要向前倾的方向转动以达到矫正的目的，即平衡）
然后确定P的大小，清零其他PID参数，将P从小到大逐渐增大，当出现小车无大幅晃动的情况（可以比较好的矫正角度偏差），到达第一档，说明你的P已经在一个良好的适合调节的范围，继续增大P，中间可能出现更好的更稳定的现象，但不要停止增大参数（因为你不知道最好的阈值在哪里），最终目标是增大到小车出现大幅低频抖动，此时我的Kp=550
接下来确定Kd，关于直立环D的确定：
也是先确定极性，清空之前设置的Kp及其他PID参数（单一变量），设置Kd=+0.5，Kd极性正确的现象与Kp一致，都是向哪里倾倒就像哪里转动。
接下来确定大小，此时恢复之前设置的Kp=550，从小到大设置Kd，直到出现高频率的震荡（此时有较强的抗干扰性，且小车极容易触发高频震荡，找到该参数时请及时关闭电机以防止电机损坏）可以看出此时的晃动幅度被抑制，但是晃动频率变高
我得到的Kd=2.5，根据工程经验，将得到的Kp、Kd都乘以0.6，得到最终直立环的PD参数330、1.5

二、速度环PID
速度环是PI控制，速度环为了能保证稳定时候速度为0，防止出现小车为了保持固定角度一直前进的情况，更多的需要积分控制，速度环的变量是轮的速度，对其进行积分可以让滞后调节进行反作用，比如小车前行了一段距离，会被积分记住，然后让小车返回该段距离，这里有一个平衡小车的工程经验：Pi=（1/200）*Kp
，所以我们只需确定Kp即可，关于Kp的确定
还是老样子，先确定Kp的极性，此时根据单一变量原则，我们需要注释掉直立环和转向环的代码
//Balance_Pwm =balance(Angle_Balance,Gyro_Balance); Velocity_Pwm=velocity(Encoder_Left,Encoder_Right); //Turn_Pwm =turn(Encoder_Left,Encoder_Right,Gyro_Turn);
然后要想知道速度环Kp的极性，就要知道我们的*转向是负反馈还是正反馈，一些文章里说速度环需要的是正反馈，却没有细说原因是什么。原因是：小车的平衡以直立环为主，速度环为辅，当小车有向前的速度是，主导因素当然是因为小车在向前倾，直立环使其产生向前的速度，这个时候如果想恢复到速度为0，就需要添加更大的底盘速度使小车摆正，正因如此，当我们模拟转动小车的*时，正确的极性应该使得小车*继续沿我们刚才转动的方向旋转直到最大转速（因为你关闭了直立环调节极性时，速度环一直检测不到速度为0的状态，他就会很奇怪，以为自己的速度不够大没有使得小车回正，就一直加速）。
说了这么多，结论就是：转动小车的某一轮胎，小车自动沿着你转动的方向继续转动，则极性正确，否则极性错误

如果你没有出现极性正确或者错误的现象，而是两轮速度逐渐趋于0（滤波的作用），或者速度维持不变，那你要注意，很可能是你的编码器相位接错了导致两轮速度做和等于0

然后我们来确定Kp的大小
目标达到的条件：小车保持平衡的同时，速度接近0，若有轻微跑动可以回到原来的位置
记得之前注释掉了直立环吗，现在我们重新开启直立环，选一个量级（比如1，10,100）调节速度环Kp，我选择10量级，Ki由Kp确定（如上文所述）。调节过程中，
当Kp还没有足够大时，现象是小车已经可以保持角度稳定，但小车无法控制在一个摇摆范围内运动，仍然会直线冲刺，此时继续增大Kp&Ki
直到小车稳定在小幅空间及角度范围内摇摆晃动，效果最好
当然此时如果你继续增大可能会使积分作用大于直立环作用，现象是小车向某一方向冲刺或者震荡，如果你在上一步找到了稳定的Kp和Ki的值之后发现小车平衡能力虽然有，但抗干扰能力不强的话，你可以略增大Ki，同时震荡出现，调节直立环Kd使得震荡消除，也许可以提高小车抗性.
调整结束后，小车成功平衡
当然到此为止，小车往返的路程里可能会不走直线（由于物理机械原因或者原地抖动时摩擦地面转向），这一点可能会按需求来，
，有的人认为仅平衡时也需要转向环的作用，但转向环更主要的作用是可以在之后命令控制时起到稳定作用
三、转向环
要了解转向环的参数极性以及PID设置，就要直到转向环所起的作用。我们希望转向环能在我们下达转向命令时加速（帮助）转向进程，并且有的人希望能在无命令时保持直线位姿，由此分析得到，if语句判断后，普通的维持平衡的转向只需要Kp比例调节即可满足需求（变量为z轴陀螺仪的值，但我觉得也可以尝试一下两轮的编码器差值？）转向时用到的则是PD超前调节。
平衡时的Kp极性：注释其他代码后，拿起小车绕z轴旋转，两轮转向与人为的转向相反，极性正确
平衡时的Kp大小设置：从小到大尝试，过小无明显作用，过大造成车体抖动（也可以在平衡时不设置）