2021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)

2023年7月19日

賽匯報(bào)——薈萃家園隊(duì)貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)匯報(bào)內(nèi)容ChinaUniversityOfPetroleum賽題分析與隊(duì)員分工系統(tǒng)模型的建立控制算法的選擇控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果1234初賽總結(jié)與心得體會(huì)56貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

賽題分析與隊(duì)員分工ChinaUniversityOfPetroleum1.1初賽賽題簡析如上圖所示，初賽的主要工作是設(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〕，擺錘開始擺動(dòng)，此時(shí)開啟控制器讓擺錘盡快停止擺動(dòng)，通過擺錘停止擺動(dòng)的快慢以及運(yùn)動(dòng)過程中的擺動(dòng)偏差來檢驗(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)

賽題分析與隊(duì)員分工ChinaUniversityOfPetroleum1.3隊(duì)員的分工與任務(wù)安排學(xué)會(huì)運(yùn)用AS軟件，熟練掌握軟件中的相關(guān)操作學(xué)會(huì)運(yùn)用matlab自動(dòng)生成能夠在AS中直接運(yùn)行的C語言代碼根據(jù)簡易防搖裝置的物理結(jié)構(gòu)搭建數(shù)學(xué)模型探索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初賽需要完成的主要工作隊(duì)伍組建：前期的準(zhǔn)備工作：集體學(xué)習(xí)AS軟件以及MATLAB軟件，探討建立數(shù)學(xué)模型的方法中期的主要工作：根據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型，分別實(shí)驗(yàn)不同的控制算法后期工作：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)

系統(tǒng)模型的建立ChinaUniversityOfPetroleum2.1模型分析左圖為簡易防搖裝置的實(shí)物圖，在建模的過程中可將其等效成一個(gè)移動(dòng)的小車和一根擺動(dòng)的桿，而忽律直線導(dǎo)軌、電機(jī)以及摩擦可能帶來的潛在影響。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

系統(tǒng)模型的建立ChinaUniversityOfPetroleum2.模型的建立

小車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)

系統(tǒng)模型的建立ChinaUniversityOfPetroleum2.模型的建立

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控制算法的選擇3.1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，易炳長主要學(xué)習(xí)了LQR，組內(nèi)成員共同學(xué)習(xí)了PID控制。其中本隊(duì)將重點(diǎn)介紹傳統(tǒng)的PID控制和LQR+PID共同控制。3.2不同控制算法的比較分析傳統(tǒng)PID控制ChinaUniversityOfPetroleum貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

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)反響的偏差信號(hào)來不斷調(diào)整三個(gè)參數(shù)，以取得最正確的控制效果。根據(jù)傳統(tǒng)的PID結(jié)構(gòu)，本組搭建了以下圖所示的帶有AS接口的PID控制器，進(jìn)行簡易的參數(shù)配置之后便可直接轉(zhuǎn)換生產(chǎn)能夠在AS中運(yùn)行的C語言代碼。帶有AS接口的PID仿真圖ChinaUniversityOfPetroleum貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制算法的選擇本組在調(diào)試PID參數(shù)的過程中，總結(jié)出PID三個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下：〔1〕比例環(huán)節(jié)：成比例的反響偏差信號(hào)，只要偏差一產(chǎn)生比例環(huán)節(jié)就能發(fā)揮作用。比例系數(shù)Kp越大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，系統(tǒng)的響應(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過大還易產(chǎn)生超調(diào)?！?〕積分環(huán)節(jié)：有利于消除靜差，提高系統(tǒng)無差度，能夠有效的改善系統(tǒng)的控制精度。但是當(dāng)積分值過大時(shí)，容易產(chǎn)生積分飽和問題，從而使調(diào)節(jié)精度降低。此外積分環(huán)節(jié)還會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量，增加調(diào)整時(shí)間的長度?！?〕微分環(huán)節(jié)：可以反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，能夠及時(shí)引入修正信號(hào)，提高系統(tǒng)的效率，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差，但是微分值過大會(huì)導(dǎo)致延長時(shí)間迅速增加，使得系統(tǒng)的抗干擾性減弱。ChinaUniversityOfPetroleum貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制算法的選擇3.2.2LQR+PID控制LQR(linearquadraticregulator)即線性二次型調(diào)節(jié)器，其對(duì)象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng)，而目標(biāo)函數(shù)為對(duì)象狀態(tài)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)出的狀態(tài)反響控制器K要使二次型目標(biāo)函數(shù)J取最小值，而K由權(quán)矩陣Q與R唯一決定，故此Q、R的選擇尤為重要。LQR對(duì)模型的精度有較高的要求，只有在得到模型準(zhǔn)確的狀態(tài)方程之后才能精確的求出反響矩陣K。之所以選擇LQR是因?yàn)榍懊嫠O(shè)置的PID控制只有在單獨(dú)控制角度theta時(shí)才能取得不錯(cuò)的效果，而無法兼顧控制位移。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放在一起對(duì)模型進(jìn)行控制。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制算法的選擇帶有AS接口的LQR+PID控制器的仿真圖本隊(duì)設(shè)計(jì)選擇了LQR與PID并行相加的結(jié)構(gòu)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)行代碼轉(zhuǎn)換之前需對(duì)其中的模塊進(jìn)行配置，并運(yùn)行下頁的m文件，求取LQR控制所需的K矩陣。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制算法的選擇在轉(zhuǎn)換生產(chǎn)C語言代碼之前，需運(yùn)行如下所示的m文件，求取K矩陣。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果ChinaUniversityOfPetroleum4.1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語言程序均在該工程下。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，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)

控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果ChinaUniversityOfPetroleumLQR+PID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)生產(chǎn)的代碼，zhc目錄下是自行編寫的C語言程序，其主要目的是求取角加速度，并將該變量作為LQR全反響的一個(gè)輸入值。其原理是將相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻角度值的變化量除以任務(wù)的循環(huán)周期10ms，從而近似將其等效為該時(shí)刻的角加速度值。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果ChinaUniversityOfPetroleum4.2兩種控制系統(tǒng)的實(shí)際控制效果比較PID控制器的實(shí)際控制效果圖由上圖可知采用PID控制時(shí)，在受到干擾之后擺桿在較短的時(shí)間內(nèi)回到初始位置，在該過程中擺桿的角度擺動(dòng)范圍也較小，在調(diào)整的過程中小車的最大速度為-3m/s左右，未超過5m/s，因此符合比賽的要求。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果ChinaUniversityOfPetroleumLQR+PID控制器的實(shí)際控制效果圖采用LQR+PID控制時(shí)，在受到干擾之后擺桿回到初始位置的時(shí)間要明顯長于傳統(tǒng)PID控制，此外其在調(diào)整過程中的擺動(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)

控制系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果ChinaUniversityOfPetroleum4.3兩種控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析以及最終方案確實(shí)定〔1〕PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)：PID控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，并且也能夠取得極好的控制效果。但是PID參數(shù)調(diào)試的工作量較大，而且單PID也無法實(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?！?〕LQR+PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)：LQR+PID可以實(shí)現(xiàn)位置和角度的雙重控制，但是由于其對(duì)模型的精確度要求較高，本隊(duì)在調(diào)試的過程中并沒有取得理想的效果。在初賽階段如果只需實(shí)現(xiàn)對(duì)角度控制的話，LQR+PID控制的效果還不如純PID控制的效果好，因此其僅僅為決賽的題目做一定的探索與準(zhǔn)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)最終確定的是采用傳統(tǒng)的PID控制。貝加萊學(xué)界聯(lián)盟初賽匯報(bào)

初賽總結(jié)與心得體會(huì)ChinaUniversityOfPetroleum初賽階段本隊(duì)主要遇到了如下問題：AS軟件的使用問題，剛開始時(shí)對(duì)AS軟件的使用不夠熟悉，不會(huì)運(yùn)用SIMULINK自動(dòng)生產(chǎn)能在AS中執(zhí)行的C語言代碼模型的建立過程中有一些參數(shù)沒有掌握對(duì)一些控制算法的原理理解的不夠透徹，在控制算法學(xué)習(xí)和選擇方面花費(fèi)了巨大的精力和時(shí)間