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1、2016年贝加莱学界联盟初,贝加莱学界联盟初赛汇报,2019年9月5日,赛汇报荟萃家园队,贝加莱学界联盟初赛汇报,汇 报 内 容,China University Of Petroleum,贝加莱学界联盟初赛汇报,赛题分析与队员分工,China University Of Petroleum,1.1初赛赛题简析,如上图所示，初赛的主要工作是设计一款以速度为输出的控制器，当施加一定的干扰之后（风速），摆锤开始摆动，此时开启控制器让摆锤尽快停止摆动，通过摆锤停止摆动的快慢以及运动过程中的摆动偏差来检验控制系统的设计效果。,贝加莱学界联盟初赛汇报,赛题分析与队员分工,China University
2、 Of Petroleum,1.3 队员的分工与任务安排,学会运用AS软件，熟练掌握软件中的相关操作 学会运用matlab自动生成能够在AS中直接运行的C语言代码 根据简易防摇装置的物理结构搭建数学模型 探索不同控制算法的控制效果，选择一套最合适的控制系统,1.2 初赛需要完成的主要工作,队伍组建： 前期的准备工作：集体学习AS软件以及MATLAB软件，探讨建立数学模型的方法 中期的主要工作：根据得到的数学模型，分别实验不同的控制算法 后期工作：选择最佳的控制算法，撰写初赛汇报文档,贝加莱学界联盟初赛汇报,系统模型的建立,China University Of Petroleum,2.1 模型
3、分析,左图为简易防摇装置的实物图，在建模的过程中可将其等效成一个移动的小车和一根摆动的杆，而忽律直线导轨、电机以及摩擦可能带来的潜在影响。,贝加莱学界联盟初赛汇报,系统模型的建立,China University Of Petroleum,2.模型的建立,小车受力分析图,集装箱受力分析图,贝加莱学界联盟初赛汇报,系统模型的建立,China University Of Petroleum,2.模型的建立,C=,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择,3.1 控制算法的初步学习,在初赛阶段，本组成员学习了多种不同的控制算法，其中远天梦主要学习了H范数控制 和模糊PID控制，张洪存主要学习了DMC（
4、动态矩阵）控制，易炳长主要学习了LQR，组内成员共同学习了PID控制。其中本队将重点介绍传统的PID控制和LQR+PID共同控制。,3.2 不同控制算法的比较分析,3.2.1传统PID控制,China University Of Petroleum,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择,传统的PID控制由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节组成，其根据反馈的偏差信号来不断调整三个参数，以取得最佳的控制效果。根据传统的PID结构，本组搭建了下图所示的带有AS接口的PID控制器，进行简易的参数配置之后便可直接转换生产能够在AS中运行的C语言代码。,带有AS接口的PID仿真图,China U
5、niversity Of Petroleum,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择,本组在调试PID参数的过程中，总结出PID三个环节的作用如下： （1）比例环节：成比例的反应偏差信号，只要偏差一产生比例环节就能发挥作用。比例系数Kp越大，系统的调节精度越高，系统的响应速度越快，系统的稳态误差将减小，但是不能最终消除稳态误差，此外比例系数Kp过大还易产生超调。 （2）积分环节：有利于消除静差，提高系统无差度，能够有效的改善系统的控制精度。但是当积分值过大时，容易产生积分饱和问题，从而使调节精度降低。此外积分环节还会增加系统的超调量，增加调整时间的长度。 （3）微分环节：可以反映偏差信号的变化
6、趋势，能够及时引入修正信号，提高系统的效率，减小系统的动态误差，但是微分值过大会导致延长时间迅速增加，使得系统的抗干扰性减弱。,China University Of Petroleum,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择,3.2.2 LQR+PID控制,LQR (linear quadratic regulator)即线性二次型调节器，其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统，而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数。LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器 K要使二次型目标函数J 取最小值，而 K由权矩阵Q 与 R 唯一决定，故此 Q、 R 的选择尤为重要。 LQR对模型的
7、精度有较高的要求，只有在得到模型准确的状态方程之后才能精确的求出反馈矩阵K。之所以选择LQR是因为前面所设置的PID控制只有在单独控制角度theta时才能取得不错的效果，而无法兼顾控制位移。而LQR可以实现同时控制角度和位移，故在设计控制器的时候本组便尝试将LQR和PID放在一起对模型进行控制。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择,带有AS接口的LQR+PID控制器的仿真图,本队设计选择了LQR与PID并行相加的结构框架，其主要目的便是实现角度与位置的双重控制。在进行代码转换之前需对其中的模块进行配置，并运行下页的m文件，求取LQR控制所需的K矩阵。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制算法的选择
8、,在转换生产C语言代码之前，需运行如下所示的m文件，求取K矩阵。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制系统的实际测试结果,China University Of Petroleum,4.1代码转换所得结果,PID控制器转换之后得到的程序代码,代码转换之后，将在原有的AS工程项目下添加一个名为control的项目，所设计控制系统转换得到的C语言程序均在该项目下。此外由于PID控制系统中设置了p、i、d三个全局变量，故需在得到了转换的代码之后，在Globar.var中添加这三个变量，调试时也可在此处直接更改p、i、d三个参数的值。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制系统的实际测试结果,China Univers
9、ity Of Petroleum,LQR+PID控制器转换之后得到的程序代码,左图中mytest1为Simulink中设计的LQR+PID控制器转换之后自动生产的代码，zhc目录下是自行编写的C语言程序，其主要目的是求取角加速度，并将该变量作为LQR全反馈的一个输入值。其原理是将相邻两个采样时刻角度值的变化量除以任务的循环周期10ms，从而近似将其等效为该时刻的角加速度值。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制系统的实际测试结果,China University Of Petroleum,4.2 两种控制系统的实际控制效果比较,PID控制器的实际控制效果图,由上图可知采用PID控制时，在受到干扰之后摆
10、杆在较短的时间内回到初始位置，在该过程中摆杆的角度摆动范围也较小，在调整的过程中小车的最大速度为-3m/s左右，未超过5m/s，因此符合比赛的要求。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制系统的实际测试结果,China University Of Petroleum,LQR+PID控制器的实际控制效果图,采用LQR+PID控制时，在受到干扰之后摆杆回到初始位置的时间要明显长于传统PID控制，此外其在调整过程中的摆动幅度也要高于传统的PID控制，但是其也能起到一定的控制效果，并且小车的速度也在允许的范围之内。,贝加莱学界联盟初赛汇报,控制系统的实际测试结果,China University Of Petr
11、oleum,4.3 两种控制方案的优缺点分析以及最终方案的确定,（1）PID控制的优缺点：PID控制不需要精确的数学模型，并且也能够取得极好的控制效果。但是PID参数调试的工作量较大，而且单PID也无法实现位置和角度的双重控制，因此在决赛阶段，单PID控制是不可行的。 （2）LQR+PID控制的优缺点：LQR+PID可以实现位置和角度的双重控制，但是由于其对模型的精确度要求较高，本队在调试的过程中并没有取得理想的效果。在初赛阶段如果只需实现对角度控制的话，LQR+PID控制的效果还不如纯PID控制的效果好，因此其仅仅为决赛的题目做一定的探索与准备。,根据初赛的要求和本队运用两种控制方案分别所得
12、到的调试结果，本队最终确定的是采用传统的PID控制。,贝加莱学界联盟初赛汇报,初赛总结与心得体会,China University Of Petroleum,初赛阶段本队主要遇到了如下问题： AS软件的使用问题，刚开始时对AS软件的使用不够熟悉，不会运用SIMULINK自动生产能在AS中执行的C语言代码 模型的建立过程中有一些参数没有掌握 对一些控制算法的原理理解的不够透彻，在控制算法学习和选择方面花费了巨大的精力和时间,初赛心得体会： 初赛阶段，本队不仅学了AS软件的使用方法，也初步解决准备过程中所遇到的各种问题，同时对不同控制算法的原理也有了更深入的理解，并且最终也取得了不错的控制效果。同时在初赛的准备阶段，本队成员通力合作，也提高了我们的团队合作能力。,End,Thank you,不足之处，还请批评和指正谢谢！,贝加莱学界联盟初赛汇报,China University Of Petroleum,