平衡车串级pid

### 平衡车串级PID控制的实现与调参方法 #### 1. 串级PID控制的基本原理 串级PID控制系统是一种多回路控制系统，通常用于复杂动态系统的控制。对于平衡车而言，串级PID控制分为三个主要控制环：直立环（内环）、速度环（外环）和转向环。直立环主要用于保持小车的平衡，速度环用于控制小车的速度，而转向环则负责调整小车的方向[^2]。 #### 2. 直立环（内环）PID参数整定 直立环是平衡车的核心控制环，其目标是使小车维持在机械中值附近，防止倾倒。以下是具体的参数整定步骤： - **机械中值确定** 确定小车的机械中值是调参的第一步。通过将小车从后往前倾倒至临界状态，记录角度值1；再反向操作得到角度值2，取两者的平均值作为机械中值[^3]。 - **比例参数（Kp）调整** 首先清零所有PID参数，设置Kp为正值（如+1），观察小车的反应。如果小车向前倾时车轮向前转，则说明Kp极性正确。然后逐渐增大Kp，直到小车能够较好地矫正角度偏差但不出现大幅晃动。继续增大Kp，直至小车出现低频大幅抖动，记录此时的Kp值（如550）[^3]。 - **微分参数（Kd）调整** 清零其他参数，设置Kd为正值（如+0.5），验证其极性是否正确。接着恢复之前设定的Kp值，并从小到大调整Kd，直至小车出现高频震荡。此时的Kd值（如2.5）可用于进一步优化。根据工程经验，最终可将Kp和Kd分别乘以0.6作为实际使用值[^3]。 #### 3. 速度环（外环）PID参数整定 速度环的目标是使小车在稳定状态下保持零速度或指定速度。以下为具体调参步骤： - **比例参数（Kp）调整** 清零其他参数，设置Kp为正值并逐步增大，观察小车对速度变化的响应。当小车能够快速响应速度指令且无明显超调时，记录此时的Kp值。 - **积分参数（Ki）调整** 在确定Kp的基础上，引入Ki以消除稳态误差。逐步增大Ki，直至小车能够在长时间运行中保持恒定速度而不偏离目标值。注意避免因Ki过大导致系统不稳定。 #### 4. 转向环PID参数整定 转向环负责调整小车的方向，确保其在无转向命令时沿直线行驶。以下是具体调参步骤： - **比例参数（Kp）调整** 清零其他参数，设置Kp为正值并逐步增大，观察小车在转向过程中的响应。当小车能够准确跟随转向指令且无明显振荡时，记录此时的Kp值[^4]。 #### 5. 实现代码示例 以下是一个简化的串级PID控制算法实现代码示例，适用于平衡车： ```python class PIDController: def __init__(self, kp, ki, kd): self.kp = kp self.ki = ki self.kd = kd self.integral = 0 self.previous_error = 0 def compute(self, setpoint, feedback, dt): error = setpoint - feedback self.integral += error * dt derivative = (error - self.previous_error) / dt output = self.kp * error + self.ki * self.integral + self.kd * derivative self.previous_error = error return output # 示例：直立环PID控制 kp_upright = 330 ki_upright = 0 # 直立环通常不需要积分调节 kd_upright = 1.5 upright_pid = PIDController(kp_upright, ki_upright, kd_upright) def upright_control(target_angle, current_angle, dt): return upright_pid.compute(target_angle, current_angle, dt) ``` ###