學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)ppt課件

1、 2021 2021年貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初年貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初 貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 2021年年8月月6日日 賽匯報(bào)賽匯報(bào)薈萃家園隊(duì)薈萃家園隊(duì)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 匯匯 報(bào)報(bào) 內(nèi)內(nèi) 容容China University Of Petroleum56貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 賽題分析與隊(duì)員分工賽題分析與隊(duì)員分工China University Of Petroleum1.11.1初賽賽題簡(jiǎn)析初賽賽題簡(jiǎn)析如上圖所示，初賽的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一款以速度為輸出的控制器，當(dāng)施加一定的干擾之后風(fēng)速，擺錘開場(chǎng)擺動(dòng)，此時(shí)開啟控制器讓擺錘盡快停頓擺動(dòng)，

2、經(jīng)過(guò)擺錘停頓擺動(dòng)的快慢以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的擺動(dòng)偏向來(lái)檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 賽題分析與隊(duì)員分工賽題分析與隊(duì)員分工China University Of Petroleum1.3 1.3 隊(duì)員的分工與義務(wù)安排隊(duì)員的分工與義務(wù)安排l 學(xué)會(huì)運(yùn)用AS軟件，熟練掌握軟件中的相關(guān)操作l 學(xué)會(huì)運(yùn)用matlab自動(dòng)生成可以在AS中直接運(yùn)轉(zhuǎn)的C言語(yǔ)代碼l 根據(jù)簡(jiǎn)易防搖安裝的物理構(gòu)造搭建數(shù)學(xué)模型l 探求不同控制算法的控制效果，選擇一套最適宜的控制系統(tǒng)1.2 1.2 初賽需求完成的主要任務(wù)初賽需求完成的主要任務(wù)l 隊(duì)伍組建：l 前期的預(yù)備任務(wù)：集體學(xué)習(xí)AS軟件以及MATLA

3、B軟件，討論建立數(shù)學(xué)模型的方法l 中期的主要任務(wù)：根據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型，分別實(shí)驗(yàn)不同的控制算法l 后期任務(wù)：選擇最正確的控制算法，撰寫初賽匯報(bào)文檔貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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(jiǎn)易防搖安裝的實(shí)物圖，在建模的過(guò)程中可將其等效成一個(gè)挪動(dòng)的小車和一根擺動(dòng)的桿，而忽律直線導(dǎo)軌、電機(jī)以及摩擦能夠帶來(lái)的潛在影響。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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

4、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(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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(xué)習(xí)控制算法的初步學(xué)習(xí)在初賽階段，本組成員學(xué)習(xí)了多種不同的控制算法，其中遠(yuǎn)天夢(mèng)主要學(xué)習(xí)了H范數(shù)控制和模糊PID控制，張洪存主要學(xué)習(xí)了DMC動(dòng)態(tài)矩陣控制，易炳長(zhǎng)主要學(xué)習(xí)了LQR，組內(nèi)成員共同窗習(xí)了PID控制。其中本隊(duì)將重點(diǎn)引見傳統(tǒng)的PID控制和LQR+PID共同控制。3.2

5、 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(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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(gè)環(huán)節(jié)組成，其根據(jù)反響的偏向信號(hào)來(lái)不斷調(diào)整三個(gè)參數(shù)，以獲得最正確的控制效果。根據(jù)傳統(tǒng)的PID構(gòu)造，本組搭建了以下圖所示的帶有AS接口的PID控制器，進(jìn)展簡(jiǎn)易的參數(shù)配置之后便可直接轉(zhuǎn)換消費(fèi)可以在AS中運(yùn)轉(zhuǎn)的C言語(yǔ)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(xué)

6、界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制算法的選擇控制算法的選擇本組在調(diào)試PID參數(shù)的過(guò)程中，總結(jié)出PID三個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下：1比例環(huán)節(jié)：成比例的反響偏向信號(hào)，只需偏向一產(chǎn)生比例環(huán)節(jié)就能發(fā)揚(yáng)作用。比例系數(shù)Kp越大，系統(tǒng)的調(diào)理精度越高，系統(tǒng)的呼應(yīng)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(shù)Kp過(guò)大還易產(chǎn)生超調(diào)。2積分環(huán)節(jié)：有利于消除靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，可以有效的改善系統(tǒng)的控制精度。但是當(dāng)積分值過(guò)大時(shí)，容易產(chǎn)生積分飽和問題，從而使調(diào)理精度降低。此外積分環(huán)節(jié)還會(huì)添加系統(tǒng)的超調(diào)量，添加調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)度。3微分環(huán)節(jié)：可以反映偏向信號(hào)的變化趨勢(shì)，可以及時(shí)引入修正信號(hào)，提高系統(tǒng)的

7、效率，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差，但是微分值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致延伸時(shí)間迅速添加，使得系統(tǒng)的抗干擾性減弱。China University Of Petroleum貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 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(linearquadraticregulator)即線性二次型調(diào)理器，其對(duì)象是現(xiàn)代控制實(shí)際中以形狀空間方式給出的線性系統(tǒng)，而目的函數(shù)為對(duì)象形狀和控制輸入的二次型函數(shù)。LQR最優(yōu)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)出的形狀反響控制器K要使二次型目的函數(shù)J取最小值，而K由權(quán)矩陣Q與R獨(dú)一決議，故此Q、R的選擇尤為重要。LQR對(duì)模型的精度有

8、較高的要求，只需在得到模型準(zhǔn)確的形狀方程之后才干準(zhǔn)確的求出反響矩陣K。之所以選擇LQR是由于前面所設(shè)置的PID控制只需在單獨(dú)控制角度theta時(shí)才干獲得不錯(cuò)的效果，而無(wú)法兼顧控制位移。而LQR可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制角度和位移，故在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候本組便嘗試將LQR和PID放在一同對(duì)模型進(jìn)展控制。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制算法的選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(duì)設(shè)計(jì)選擇了LQR與PID并行相加的構(gòu)造框架，其主要目的便是實(shí)現(xiàn)角度與位置的雙重控制。在進(jìn)展代碼轉(zhuǎn)換之前需對(duì)其中的模塊進(jìn)展配置，并運(yùn)轉(zhuǎn)下頁(yè)的m文件，求取LQR控制所需的

9、K矩陣。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制算法的選擇控制算法的選擇在轉(zhuǎn)換消費(fèi)C言語(yǔ)代碼之前，需運(yùn)轉(zhuǎn)如下所示的m文件，求取K矩陣。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)果果China University Of Petroleum4.14.1代碼轉(zhuǎn)換所得結(jié)果代碼轉(zhuǎn)換所得結(jié)果PID控制器轉(zhuǎn)換之后得到的程序代碼控制器轉(zhuǎn)換之后得到的程序代碼代碼轉(zhuǎn)換之后，將在原有的AS工程工程下添加一個(gè)名為control的工程，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的C言語(yǔ)程序均在該工程下。此外由于PID控制系統(tǒng)中設(shè)置了p、i、d三個(gè)全局變量，故需在得到了轉(zhuǎn)換的代碼之后，

10、在Globar.var中添加這三個(gè)變量，調(diào)試時(shí)也可在此處直接更改p、i、d三個(gè)參數(shù)的值。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)果果China University Of PetroleumLQR+PID控制器轉(zhuǎn)換之后得到的程序代碼控制器轉(zhuǎn)換之后得到的程序代碼左圖中mytest1為Simulink中設(shè)計(jì)的LQR+PID控制器轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)消費(fèi)的代碼，zhc目錄下是自行編寫的C言語(yǔ)程序，其主要目的是求取角加速度，并將該變量作為L(zhǎng)QR全反響的一個(gè)輸入值。其原理是將相鄰兩個(gè)采樣時(shí)辰角度值的變化量除以義務(wù)的循環(huán)周期10ms，從而近似將其等效為該時(shí)辰的角加速度

11、值。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)果果China University Of Petroleum4.2 4.2 兩種控制系統(tǒng)的實(shí)踐控制效果比較兩種控制系統(tǒng)的實(shí)踐控制效果比較PID控制器的實(shí)踐控制效果圖控制器的實(shí)踐控制效果圖由上圖可知采用PID控制時(shí)，在遭到干擾之后擺桿在較短的時(shí)間內(nèi)回到初始位置，在該過(guò)程中擺桿的角度擺動(dòng)范圍也較小，在調(diào)整的過(guò)程中小車的最大速度為-3m/s左右，未超越5m/s，因此符合競(jìng)賽的要求。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)果果China University Of

12、PetroleumLQR+PID控制器的實(shí)踐控制效果圖控制器的實(shí)踐控制效果圖采用LQR+PID控制時(shí)，在遭到干擾之后擺桿回到初始位置的時(shí)間要明顯長(zhǎng)于傳統(tǒng)PID控制，此外其在調(diào)整過(guò)程中的擺動(dòng)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(nèi)。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)踐測(cè)試結(jié)果果China University Of Petroleum4.3 4.3 兩種控制方案的優(yōu)缺陷分析以及最終方案確實(shí)定兩種控制方案的優(yōu)缺陷分析以及最終方案確實(shí)定1PID控制的優(yōu)缺陷：控制的優(yōu)缺陷：PID控制不需求準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并

13、且也可以控制不需求準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并且也可以獲得極好的控制效果。但是獲得極好的控制效果。但是PID參數(shù)調(diào)試的任務(wù)量較大，而且單參數(shù)調(diào)試的任務(wù)量較大，而且單PID也無(wú)法也無(wú)法實(shí)現(xiàn)位置和角度的雙重控制，因此在決賽階段，單實(shí)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?？刂剖遣豢尚械?。2LQR+PID控制的優(yōu)缺陷：控制的優(yōu)缺陷：LQR+PID可以實(shí)現(xiàn)位置和角度的雙重可以實(shí)現(xiàn)位置和角度的雙重控制，但是由于其對(duì)模型的準(zhǔn)確度要求較高，本隊(duì)在調(diào)試的過(guò)程中并沒有控制，但是由于其對(duì)模型的準(zhǔn)確度要求較高，本隊(duì)在調(diào)試的過(guò)程中并沒有獲得理想的效果。在初賽階段假設(shè)只需實(shí)現(xiàn)對(duì)角度控制的話，獲得理想的效果

14、。在初賽階段假設(shè)只需實(shí)現(xiàn)對(duì)角度控制的話，LQR+PID控控制的效果還不如純制的效果還不如純PID控制的效果好，因此其僅僅為決賽的標(biāo)題做一定的探控制的效果好，因此其僅僅為決賽的標(biāo)題做一定的探求與預(yù)備。求與預(yù)備。根據(jù)初賽的要求和本隊(duì)運(yùn)用兩種控制方案分別所得到的調(diào)試結(jié)果，本隊(duì)根據(jù)初賽的要求和本隊(duì)運(yùn)用兩種控制方案分別所得到的調(diào)試結(jié)果，本隊(duì)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?？刂?。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào) 初賽總結(jié)與心得領(lǐng)會(huì)初賽總結(jié)與心得領(lǐng)會(huì)China University Of Petroleum初賽階段本隊(duì)主要遇到了如下問題：初賽階段本隊(duì)主要遇到了如下問題：A

15、S軟件的運(yùn)用問題，剛開場(chǎng)時(shí)對(duì)軟件的運(yùn)用問題，剛開場(chǎng)時(shí)對(duì)AS軟件的運(yùn)用不夠熟習(xí)，不會(huì)運(yùn)用軟件的運(yùn)用不夠熟習(xí)，不會(huì)運(yùn)用SIMULINK自動(dòng)消費(fèi)能在自動(dòng)消費(fèi)能在AS中執(zhí)行的中執(zhí)行的C言語(yǔ)代碼言語(yǔ)代碼模型的建立過(guò)程中有一些參數(shù)沒有掌握模型的建立過(guò)程中有一些參數(shù)沒有掌握對(duì)一些控制算法的原理了解的不夠透徹，在控制算法學(xué)習(xí)和選擇方面破費(fèi)對(duì)一些控制算法的原理了解的不夠透徹，在控制算法學(xué)習(xí)和選擇方面破費(fèi)了宏大的精神和時(shí)間了宏大的精神和時(shí)間初賽心得領(lǐng)會(huì)：初賽心得領(lǐng)會(huì)：初賽階段，本隊(duì)不僅學(xué)了初賽階段，本隊(duì)不僅學(xué)了AS軟件的運(yùn)用方法，也初步處理預(yù)備過(guò)程中所遇軟件的運(yùn)用方法，也初步處理預(yù)備過(guò)程中所遇到的各種問題，同時(shí)對(duì)不同控制算法的原理也有了更深