阅读说明：本技术 一种两轴云台建模以及自动整定pid参数方法 (Method for modeling and automatically tuning PID (proportion integration differentiation) parameters of two-axis pan-tilt ) 是由 李秀智 贾桐 张祥银 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于系统辨识和运动控制领域,尤其涉及一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法,用于解决两轴云台存在静态误差并且信号跟随能力较差的问题,本方法采用频域分析,对两轴云台输入变频正弦的位置信号,使用惯性导航模块采集两轴云台实际的位置信号,通过计算机中的MATLAB工具箱对两轴云台建立传递函数模型,并且自动整定PID参数,最终将获得的参数应用于云台电机控制器中,以此作为对现有问题的改进。本方法不需要对云台原有的机械结构做出改动,同时降低凑试法整定PID参数时间,且具有一定的鲁棒性和有效性。(The invention belongs to the field of system identification and motion control, and particularly relates to a method for modeling and automatically setting PID (proportion integration differentiation) parameters of a two-axis pan-tilt, which is used for solving the problems of static errors and poor signal following capability of the two-axis pan-tilt. The method does not need to change the original mechanical structure of the holder, reduces the time for setting the PID parameters by a test method, and has certain robustness and effectiveness.)

一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法

技术领域

本发明属于系统辨识和运动控制领域，尤其涉及一种两轴云台建模以及自动整定PID参数方法。

背景技术

体育竞赛、高清电影、综艺节目这些项目使得人们的生活拥有了更多的乐趣，随着科研领域的不断发展与创新，在图像技术中，特别是图像处理以及图像传输上日新月异的变化，这些技术的发展都离不开图像的获取，所以影像的拍摄要求也变得越来越严苛，而云台则是影像拍摄的重要载体。

随着技术需求的要求越来越高，需要云台的启动是快速的、停止平和而缓慢，定位可以任意位置的调整，速度能够实现多级变化。市场中流通的云台，大多数没有建立传递函数模型，大多采用经典PID控制、模糊控制或Bang-Bang控制，这种云台鲁棒性较差，存在静态误差并且信号跟随能力较差。

发明内容

针对当前的两轴云台控制问题，本发明提出一种基于离线系统辨识和自动整定PID的方法，引入前馈控制环节以减小动态误差、消除静态误差。本方法采用频域分析，对两轴云台输入变频正弦的位置信号，使用惯性导航模块采集两轴云台实际的位置信号，通过计算机中的MATLAB工具箱对两轴云台建立传递函数模型，并且自动整定PID参数，最终将获得的参数应用于云台电机控制器中，以此作为对现有问题的改进。本方法不需要对云台原有的机械结构做出改动，同时降低凑试法整定PID参数时间，且具有一定的鲁棒性和有效性。

本方法的控制系统包括：

1)云台电机两个：用于控制航向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)电机各一个。

2)云台电机控制器：具有编程功能的单片机，用于同计算机通信、获取惯性导航模块数据。

3)惯性导航模块：获取云台当前的姿态，包括航向角度值、俯仰角度值、航向角速度与俯仰角速度。

4)串口传输模块：用于将云台电机控制器输出的信号转换为电脑可识别信号。

5)信号发生器：本发生器为软件，通过编程置于云台电机控制器中，用于产生变频的正弦位置信号。

6)双闭环PID控制器：本控制器为经典的双环PID控制器，速度环为内环，位置环为外环，以软件方式置于云台电机控制器中。

7)前馈补偿控制器：获取云台传递函数模型后，将传递函数离散化，通过编程将离散化的传递函数置于云台电机控制器中。

8)计算机：具备MATLAB软件的电脑。

一种两轴云台建模以及自动整定PID参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：将惯性导航模块安装至两轴云台中；(先确认带双闭环控制器的传递函数)

步骤2：将云台电机控制器与计算机相连接；

步骤3:在Yaw轴云台上加载双闭环PID控制器；

步骤4：将信号发生器置于云台电机控制器中；

步骤5：使用MATLAB中的System Identification工具箱，获得系统传递函数：

步骤6：获取Yaw轴云台传递函数；

步骤7：使用MATLAB中的Control System工具箱，对PID参数进行自动整定；

步骤8：通过MATLAB将Yaw轴云台传递函数离散，以获取前馈补偿控制器参数；

步骤9：重复步骤2-步骤8，对Pitch轴进行模型建立与PID参数整定。

步骤10：将以上步骤获取的双闭环PID控制器参数、前馈补偿控制器参数应用于云台电机控制器中。

本发明具有以下优势：

(1)不需要对原有机械结构进行改变。

(2)可以大幅度降低整定PID参数的时间，具有较好的实用性。

(3)自动整定PID参数且加入前馈控制后，云台具有良好的鲁棒性、快速性。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为两轴云台实物图；

图3为两轴云台三维图；

图4为双闭环PID控制器流程图；

图5为激励信号频率图；

图6为激励信号时域图；

图7为System Identification工具箱参数设置截图；

图8为System Identification工具箱生成本方法中使用的云台Yaw轴传递函数；

图9为双闭环PID控制器传递函数流程图；

图10为Control System工具箱参数设置界面；

图11为引入前馈补偿器的双闭环PID控制器流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明提出基于离线辨识的方法完成两轴云台建立传递函数模型，同时对 PID控制器参数自动整定并引入前馈补偿控制器，本方法操作流程图如图1所示。本发明应用频率响应特性研究两轴云台系统的特性，在云台电机控制器中加载信号发生器，通过计算机将期望的位置信号与实际的位置信号存储，使用MATLAB 离线辨识工具获取系统的传递函数，最终通过工具箱对PID参数进行整定。

本发明的具体过程如下：

步骤1，将惯性导航模块安装至两轴云台。

(1)本方法采用闭环辨识，首先需要对两轴云台构成闭环控制系统。

(2)为保证数据的真实性，将惯性导航模块安装至云台两轴的轴线相交处，如若此位置不能安装，则要尽量靠近本位置。

(3)对惯性导航模块的原始角度值、角速度数据进行滤波处理，去除非工作范围的噪声。图2图3为本方法使用的两轴云台系统实物图与三维模型图，惯性导航模块选用超核电子H219模块，本云台系统的正常工作角速度在±250°/s 之内，故将惯性导航模块的角速度量程设定为±250dps。本云台系统的最大控制频率为1KHz，根据香农采样定理，截止频率为500Hz，通过查询手册，故将惯性导航模块的带宽调整为532Hz。

(4)通过云台电机控制器对惯性导航模块的航向角度值、航向角速度、俯仰角度值、俯仰角速度值行读取。

步骤2，将云台电机控制器与计算机相连接。

(1)为观察实际信号与期望信号的状态，需将云台电机控制器与计算机相连接。

(2)本方法采用串口传输模块连接，也可使用蓝牙模块、无线模块等，只需保证连接的稳定性即可。

(3)在计算机中配备具有保存功能的数字示波器。

步骤3，在Yaw轴云台加载双闭环PID控制器。

双闭环PID控制器流程图如图4所示，位置信号输入双闭环PID控制器中，期望位置信号与惯性导航模块获取的实际位置信号求取位置信号偏差值，将位置信号偏差值传入位置环PID控制器中获取期望的速度信号，期望的速度信号与惯性导航模块获取的实际速度信号求取速度信号偏差值，将速度信号偏差值传入速度环PID控制器中获取期望的PWM信号，将PWM信号传入到电机中，以驱动电机，电机带动惯性导航模块对实际信号进行更新。

(1)首先加载速度环PID控制器，使用凑试法对PID参数整定，使实际的速度信号能够较好的跟踪期望的速度信号即可。

(2)其次加载位置外环PID控制器，同样使用凑试法对PID参数进行整定，使实际的位置信号能够较好的跟踪期望的位置信号即可。

(3)根据PID的控制规律，计算(1)(2)两步加载的PID控制器传递函数，PID的控制规律关系为：

e(t)＝y_d(t)-y(t)

其中e(t)为偏差值，y_d(t)为输入信号，y(t)为实际信号，K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分系数，T为两轴云台控制器控制频率，G(S)为PID控制器的传递函数。

步骤4，将信号发生器置于云台电机控制器中。

(1)在云台电机控制器中通过编程配备信号发生器，使其可以产生1Hz至 500Hz的变频正弦波，该正弦波为期望的位置输入信号，并在每个频率保持25 个周期。

(2)由于期望位置信号频率变化范围较大，且接近截止频率时实际位置信号的振幅较小，为了降低计算机的运算量，共计采用66个不同的频率的期望位置信号，频率变化如图5所示，图6为期望位置信号的时域图像。

(3)为了保证期望位置信号不发生跃变，在每次期望位置信号频率发生改变时都需要从零相位开始，故期望位置信号的周期应为整数。

(4)信号发生器配置完成后，通过指令打开信号发生器，将信号发生器应用于Yaw轴云台中，通过计算机将每一时刻的期望位置信号与实际位置信号存储。

步骤5，使用工具箱对Yaw轴云台建立传递函数模型。

(1)将步骤4中存储的期望位置信号与实际位置信号导入至MATLAB SystemIdentification工具箱中，选择信号类型为时域信号，采样时间为1ms，设置界面如图7所示。

(2)因本实验采用正弦位置信号，该信号的平均值为0，带宽在532Hz以内，同时需要对采集到的所有位置信号进行辨识，故无需对信号做预处理。

(3)设置采样频率与零极点个数，零极点个数与双闭环PID控制器的控制律相关，积分环节会增加极点个数，微分环节会增加零点个数。本方法中为了减少使用凑试法整定PID参数的时间，故双闭环PID控制器在使用凑试法整定时，只采用比例控制，即P控制，故传递函数的极点个数为2，零点个数为1。

(4)生成Yaw轴云台的闭环传递函数,结果如图8所示。

步骤6，获取Yaw轴云台传递函数。

(1)步骤3与步骤5分别获取了PID控制器、包含双闭环PID控制器的Yaw 轴云台传递函数，Yaw轴云台的传递函数流程图如图9所示，其中C₁(S)为位置环PID控制器，C₂(S)为速度环PID控制器，G(S)为不包含双闭环控制器的云台传递函数，H(S)为单位负反馈，G_c(S)为系统闭环传递函数。

(2)通过上述公式可以求出不包含双闭环PID控制器的云台传递函数，其中凑试法整定的PID控制器参数对不包含双闭环PID控制器的云台传递函数无直接影响，由于系统辨识不能完全刻画系统特性，故不进行零极点进行对消，以保证系统的稳定性能。

步骤7，使用System Control Designer对PID参数自动整定。

(1)将不包含双闭环PID控制器的云台传递函数G(S)导入上述工具箱中，在工具箱中加入速度环与位置环控制器，使用工具箱默认参数即可。

(2)使用PID Tuning工具对Yaw轴双闭环PID控制器参数自动整定，设置界面如图10所示，设定响应时间与鲁棒性，因PID控制器积分环节存在时滞特性，故本发明中不采用积分(I)控制，而仅采用比例(P)、微分(D)控制，设定完成后即可开始整定。

(3)将自动整定的双闭环PID控制器传递函数离散化，获得比例系数、微分系数。

步骤8，在Yaw轴云台中引入前馈补偿控制器

前馈补偿控制器可以用来减小系统的动态误差，使前馈补偿器传递函数与系统传递函数之积为1，从而实现输出位置信号完全复现输入位置信号。

(1)因本方法中双闭环PID控制器只使用PD控制律将存在静态误差，为了消除静态误差，减小动态误差，故引入前馈补偿控制器。

(2)引入前馈补偿控制器的控制流程图如图11所示，前馈补偿控制器为

控制器的输出为 u(t)＝u_p(t)+u_f(t)

其中u_f(s)为前馈补偿控制器的输出信号，y_d(s)为期望位置信号，G(s)为不包含双闭环PID控制器的Yaw轴云台传递函数，u_p(t)为速度环PID控制器的输出信号，u(t)为前馈补偿控制器与双闭环PID控制器的输出信号。

(3)前馈补偿控制器器的传递函数为不包含双闭环PID控制器的Yaw轴云台传递函数的倒数，使用双线性变化法将前馈补偿控制器器传递函数离散化。

步骤9，重复步骤2-步骤8对Pitch轴云台进行相同工作，以获取Pitch轴云台的双闭环PID控制器参数，前馈补偿控制器参数。

步骤10，将Yaw轴、Pitch轴获取的双闭环PID控制器参数，前馈补偿控制器参数应用到云台电机控制器中，至此本方法结束。