Kujisawazisha Roboti Kutumia PID Algorithm (STM MC): Hatua 9

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:54

Hivi karibuni kazi nyingi zimefanywa katika usawazishaji wa vitu. Wazo la usawa wa kibinafsi lilianza na usawazishaji wa pendulum iliyogeuzwa. Dhana hii iliongezwa hadi muundo wa ndege pia. Katika mradi huu, tumebuni mfano mdogo wa roboti ya kusawazisha ya kibinafsi kwa kutumia PID (sawia, Jumuishi, inayotokana) na Algorithm. Tangu wakati huo, njia hii ni sura mpya ya mifumo ya kudhibiti mchakato wa viwanda. Ripoti hii inakagua njia zinazohusika katika usawazishaji wa vitu. Mradi huu ulifanywa kama mradi wa muhula kuelewa uwiano wa PID juu ya ufanisi wa michakato mbalimbali ya viwandani. Hapa tunazingatia tu kutoa hakiki fupi juu ya ufanisi na matumizi ya udhibiti wa PID. Jarida hili limetengenezwa kwa kutoa utangulizi mfupi wa mifumo ya kudhibiti na istilahi zinazohusiana, pamoja na motisha ya mradi huo. Majaribio na uchunguzi umechukuliwa, sifa na upungufu uliofafanuliwa na kuishia katika maboresho ya baadaye. Mfano wa roboti ya kusawazisha ilitengenezwa ili kuelewa ufanisi wa PID katika ulimwengu wa mfumo wa kudhibiti. Kupitia majaribio na majaribio kadhaa magumu, sifa na upungufu wa mfumo wa kudhibiti PID uligunduliwa. Ilibainika kuwa licha ya faida nyingi za udhibiti wa PID juu ya njia za zamani, bado mfumo huu unahitaji maboresho mengi. Inatarajiwa kuwa msomaji anapata ufahamu mzuri wa umuhimu wa kusawazisha kibinafsi, ufanisi na ufanisi wa udhibiti wa PID

Hatua ya 1: Utangulizi

Pamoja na ujio wa kompyuta na uanzishaji wa michakato, katika historia ya mwanadamu, kumekuwa na utafiti kila mara kutengeneza njia za kurekebisha michakato na muhimu zaidi, kuzidhibiti kwa kutumia mashine kwa uhuru. Kusudi likiwa kupunguza ushiriki wa mwanadamu katika michakato hii, na hivyo kupunguza kosa katika michakato hii. Kwa hivyo, uwanja wa "Uhandisi wa Mfumo wa Udhibiti" ulibuniwa. Uhandisi wa Mfumo wa Udhibiti unaweza kufafanuliwa kama kutumia njia anuwai kudhibiti utendakazi wa mchakato au matengenezo ya mazingira ya kila wakati na yanayopendelewa, iwe ya mikono au ya moja kwa moja.

Mfano rahisi inaweza kuwa ya kudhibiti joto kwenye chumba. Udhibiti wa Mwongozo unamaanisha uwepo wa mtu kwenye wavuti ambaye huangalia hali ya sasa (sensorer), anailinganisha na thamani inayotakikana (usindikaji) na huchukua hatua stahiki kupata thamani inayotaka (actuator). Shida ya njia hii ni kwamba haitegemei sana kwani mtu huwa na makosa au uzembe katika kazi yake. Pia, shida nyingine ni kwamba kiwango cha mchakato ulioanzishwa na mtendaji sio sawa kila wakati, ikimaanisha wakati mwingine inaweza kutokea haraka kuliko inavyotakiwa au wakati mwingine inaweza kuwa polepole. Suluhisho la shida hii ilikuwa kutumia mdhibiti mdogo kudhibiti mfumo. Mdhibiti mdogo ni

iliyowekwa kudhibiti mchakato, kulingana na vielelezo vilivyopewa, vilivyounganishwa kwenye mzunguko (kujadiliwa baadaye), kulishwa thamani inayotarajiwa au masharti na kwa hivyo kudhibiti mchakato ili kudumisha thamani inayotakikana. Faida ya mchakato huu ni kwamba hakuna uingiliaji wa mwanadamu unahitajika katika mchakato huu. Pia, kiwango cha mchakato huo ni sare

Mfumo wa Udhibiti wa Msingi

Mchoro uliopita unaonyesha toleo rahisi zaidi la Mfumo wa Udhibiti. Mdhibiti mdogo yuko katikati ya Mfumo wowote wa Udhibiti. Kwa hivyo ni sehemu muhimu sana, uchaguzi wake wa uteuzi unapaswa kufanywa kwa uangalifu kulingana na mahitaji ya Mfumo. Mdhibiti mdogo hupokea pembejeo kutoka kwa mtumiaji. Uingizaji huu unafafanua hali inayotakiwa ya Mfumo. Mdhibiti mdogo pia hupokea maoni kutoka kwa sensorer. Sensor hii imeunganishwa na pato la Mfumo, habari ambayo inarudishwa kwa pembejeo. Microprocessor, kulingana na programu yake, hufanya mahesabu anuwai na inatoa pato kwa actuator. Mchezaji, kulingana na pato, hudhibiti mmea kujaribu kudumisha hali hizo. Mfano inaweza kuwa dereva wa gari anayeendesha motor ambapo dereva wa gari ndiye anayeendesha na motor ndio mmea. Motor, kwa hivyo huzunguka kwa kasi iliyopewa. Sensor iliyounganishwa inasoma hali ya mmea kwa wakati huu na huirudisha kwa mdhibiti mdogo. Mdhibiti mdogo hulinganisha tena, hufanya mahesabu na kwa hivyo, mzunguko unajirudia. Utaratibu huu ni wa kurudia na kutokuwa na mwisho ambapo mdhibiti mdogo hudumisha hali zinazohitajika

Hatua ya 2: Mfumo wa Udhibiti wa PID

Algorithm ya PID ni njia bora ya kubuni Mfumo wa Kudhibiti.

Ufafanuzi

PID inasimama kwa Uwiano, Jumuishi na inayotokana. Katika algorithm hii, ishara ya kosa imepokea ni pembejeo. Na equation ifuatayo inatumika kwenye ishara ya kosa

U (t) = Kp ∗ e (t) + Kd-d / dt (e (t)) + Ki ∗ muhimu (e (t)) (1.1)

Maelezo mafupi

Kama inavyoonekana katika hesabu iliyo hapo juu, ujumuishaji na inayotokana na ishara za makosa huhesabiwa, kuzidishwa na vipindi vyao na kuongezwa pamoja na Kp ya mara kwa mara iliyozidishwa na e (t). Pato hulishwa kwa mtendaji ambaye hufanya mfumo uendeshe. Sasa hebu tuangalie kila sehemu ya kazi kwa zamu. Kazi hii moja kwa moja inaashiria wakati wa kupanda, wakati wa kushuka, kilele juu ya upigaji risasi, wakati wa kutulia na makosa ya hali thabiti.

Sehemu inayolingana: Sehemu inayolingana inapunguza wakati wa kupanda na hupunguza hitilafu ya hali thabiti. Hii inamaanisha kuwa mfumo utachukua muda mdogo kufikia kiwango chake cha juu na inapofikia hali yake thabiti, hitilafu ya hali ya utulivu itakuwa chini. Walakini, inaongeza upeo wa juu wa kilele.

• Sehemu inayotokana: Sehemu inayotokana hupunguza kasi kubwa na wakati wa kukaa. Hii inamaanisha kuwa hali ya muda mfupi ya mfumo itakuwa na unyevu zaidi. Pia, mfumo utafikia hali yake thabiti kwa muda mdogo. Walakini, haina athari yoyote wakati wa kuongezeka au hitilafu ya hali thabiti.

Sehemu ya pamoja: Sehemu muhimu inapunguza wakati wa kupanda na kuondoa kabisa hitilafu ya hali thabiti. Walakini, inaongeza upeo wa juu na wakati wa kutulia.

• Kuweka Mfumo: Mfumo mzuri wa Udhibiti utakuwa na wakati mdogo wa kupanda, muda wa kutulia, upeo wa juu na makosa ya hali thabiti. Kwa hivyo, Kp, Kd, Ki zinahitaji kuangaliwa vizuri ili kurekebisha mchango wa sababu zilizo hapo juu ili kupata Mfumo mzuri wa Udhibiti.

Kielelezo kimeambatanishwa kuonyesha athari ya kubadilisha vigezo anuwai katika algorithm ya PID.

Hatua ya 3: Kujisawazisha Robot

Roboti ya kusawazisha yenyewe ni roboti yenye magurudumu mengi, magurudumu mawili.

Roboti itajaribu kusawazisha matumizi ya nguvu yoyote isiyo sawa. Itajisawazisha kwa kutumia nguvu inayopinga matokeo ya vikosi kwenye roboti.

Mbinu za Usawazishaji wa Kibinafsi

Kuna njia nne za kusawazisha roboti. Hizi ni kama ifuatavyo:

Usawazishaji wa kibinafsi ukitumia sensorer mbili za IR Tilt

Hii ndio njia mbaya zaidi ya kusawazisha roboti kwani inahitaji vifaa kidogo sana na algorithm rahisi. Kwa njia hii, sensorer mbili zilizopigwa za IR hutumiwa kupima umbali kati ya ardhi na roboti. Kulingana na umbali uliohesabiwa, PID inaweza kutumika kuendesha motors kusawazisha roboti ipasavyo. Ubaya mmoja wa njia hii ni kwamba sensa ya IR inaweza kukosa usomaji. Shida nyingine ni kwamba usumbufu na vitanzi vinahitajika kwa hesabu ya umbali ambayo huongeza ugumu wa wakati wa algorithm. Kwa hivyo, njia hii ya kusawazisha roboti haifai sana.

Usawazishaji wa kibinafsi kutumia Accelerometer

Accelerometer inatupa kuongeza kasi ya mwili kwa shoka 3. Kuongeza kasi kwa mwelekeo wa mhimili y (juu) na x-mhimili (mbele) hutupatia kipimo cha kuhesabu mwelekeo wa mvuto na kwa hivyo kuhesabu pembe ya mwelekeo. Pembe imehesabiwa kama ifuatavyo:

ar = arctani (Ay / Shoka) (1.2)

Ubaya wa kutumia njia hii ni kwamba wakati wa mwendo wa roboti, kasi ya usawa pia itaongezwa kwa usomaji ambao ni kelele ya masafa ya juu. Kwa hivyo, pembe ya mwelekeo itakuwa sahihi.

Usawazishaji wa kibinafsi kutumia Gyroscope

Gyroscope hutumiwa kuhesabu kasi ya angluar kando ya mhimili huo. Pembe ya mwelekeo hupatikana kwa kutumia equation ifuatayo.

θp (i) = θp (i − 1) + 1/6 (vali − 3 + 2vali − 2 + 2vali − 1 + vali) (1.3)

Ubaya mmoja mkubwa wa kutumia gyroscope ni kwamba ina upendeleo mdogo wa DC ambao ni kelele ya masafa ya chini na kwa muda mfupi maadili yaliyorudishwa ni makosa kabisa. Hii, baada ya ujumuishaji, itasababisha hatua ya sifuri kutoka. Kama matokeo yake, roboti itabaki katika wima wake kwa muda na itaanguka mara tu drift itakapokuja.

Usawazishaji wa kibinafsi kutumia Accelerometer na Gyroscope

Kama ilivyojadiliwa hapo juu, kutumia accelerometer au gyroscope tu hakutatupa mwelekeo sahihi wa mwelekeo. Ili kuzingatia hilo, accelerometer na gyroscope hutumiwa. Hizi zote zimeingizwa katika MPU6050. Katika hili tunapata data kutoka kwa wote wawili na kisha tuziunganishe kwa kutumia Kichujio cha Kalman au Kichujio cha Kuongezea.

Kichujio cha Kalman: Kalman calcul lter inakadiria makisio bora ya hali ya mfumo wa nguvu kutoka kwa vipimo vya kelele, ikipunguza makosa ya mraba ya makadirio. Inafanya kazi katika hatua mbili, utabiri na marekebisho, ikizingatiwa mlinganisho wa stochastic unaoelezea mienendo ya mfumo. Walakini, ni algorithm ngumu sana kutekeleza haswa kwenye vifaa vichache vya mdhibiti mdogo.

• Kichungi cha Kusaidia: Hesabu hii kimsingi hutumia data iliyopatikana kutoka kwa gyroscope na inaiunganisha kwa muda ili kupata mwelekeo wa mwelekeo. Pia hutumia sehemu ndogo ya usomaji wa accelerometer. Kiunga cha ziada, kwa kweli, hupunguza kelele ya juu ya kasi ya kasi na kelele ya chini ya gyroscope na kisha kuziunganisha ili kutoa mwelekeo sahihi zaidi wa mwelekeo.

Hatua ya 4: Ubunifu wa Robot

Tumebuni roboti ya kusawazisha ya kibinafsi kwa kutumia mtawala wa Uundaji sawia unaotekelezwa na Kichujio cha Kuongezea cha MPU6050. Mfano huu mdogo wa Robot ya kusawazisha ya kibinafsi itatuonyesha umuhimu wa Mifumo ya Udhibiti katika Usawazishaji wa kibinafsi wa roboti.

Utekelezaji wa Mfumo:

Mfumo ni robot ya kusawazisha. Inatekelezwa kwa kutumia Mdhibiti wa PID ambayo ni Mdhibiti wa Utenganishaji wa Jumuishi sawia. Tunasawazisha roboti hiyo kwa kuendesha magurudumu yake kuelekea uanguko wake. Kwa kufanya hivyo, tunajaribu kuweka katikati ya mvuto wa roboti juu ya kiini cha msingi. Ili kuendesha magurudumu kuelekea mwelekeo wa kuanguka kwake, tunapaswa kujua wapi roboti inaanguka na kasi ambayo inaanguka. Takwimu hizi zinapatikana kwa kutumia MPU6050 ambayo ina accelerometer na gyroscope. MPU6050 hupima pembe ya mwelekeo na kutoa pato lake kwa Mdhibiti mdogo. MPU6050 imeingiliana na Bodi ya STM kupitia I2C. Katika I2C, waya moja ni ya saa ambayo inaitwa SCL. Nyingine ni ya kuhamisha data ambayo ni SDA. Katika hili, mawasiliano bora ya watumwa hutumiwa. Anwani ya kuanza na anwani ya kumalizika imetajwa kujua kutoka kwa data inaanzia wapi na inaishia wapi. Tumetekeleza Kichujio cha Kusaidia hapa cha MPU6050 ambayo ni hesabu ya hesabu ya kuunganisha matokeo ya accelerometer na gyroscope. Baada ya kupata data kutoka kwa MPU6050, mdhibiti mdogo atafanya mahesabu kujua ni wapi inaanguka. Kulingana na mahesabu, mtawala mdogo wa STM atatoa maagizo kwa dereva wa gari kuendesha gari kwa mwelekeo wa kuanguka ambayo itasawazisha roboti.

Hatua ya 5: Vipengele vya Mradi

Vipengele vifuatavyo vilitumika katika mradi wa usawa wa roboti:

STM32F407

Mdhibiti mdogo iliyoundwa na ST Microelectronics. Inafanya kazi kwenye Usanifu wa ART Cortex-M.

Dereva wa Magari L298N

IC hii hutumiwa kuendesha motor. Inapata pembejeo mbili za nje. Moja kutoka kwa mdhibiti mdogo anayesambaza ishara ya PWM. Kwa kurekebisha upana wa kunde, kasi ya gari inaweza kubadilishwa. Uingizaji wake wa pili ni chanzo cha voltage kinachohitajika kuendesha gari ambayo ni betri ya 12V kwa upande wetu.

DC Motor

DC Motor inaendesha usambazaji wa DC. Katika jaribio hili, DC Motor inaendesha kwa kutumia vifaa vya macho vilivyounganishwa na dereva wa gari. Kuendesha motor tumetumia Motor Drive L298N.

MPU6050

MPU6050 hutumiwa kupata habari kuhusu mahali ambapo roboti inaanguka. Inapima pembe ya mwelekeo kwa kuzingatia mwelekeo wa sifuri ambao ni msimamo wa MPU6050 wakati mpango unapoanza kufanya kazi.

MPU6050 ina accelerometer ya mhimili 3 na gyroscope ya mhimili 3. Kiwango cha kasi ya kuongeza kasi kando ya shoka tatu na gyroscope hupima kiwango cha angular juu ya shoka tatu. Ili kuchanganya pato, lazima tuondoe kelele za wote wawili. Ili kumaliza kelele, tuna Kalman na Complementary fi lter. Tumetekeleza nyongeza katika mradi wetu.

Wanandoa wa Opto 4N35

Optocoupler ni kifaa kinachotumiwa kutenganisha sehemu ya chini ya voltage na sehemu ya juu ya mzunguko. Kama jina linavyopendekeza, inafanya kazi kwa msingi wa taa. Wakati sehemu ya chini ya voltage inapata ishara, fl ows za sasa katika sehemu ya voltage kubwa

Hatua ya 6: Muundo wa Robot

Muundo wa roboti unaelezewa kama ifuatavyo:

Muundo wa Kimwili

Roboti ya kujisawazisha inajumuisha safu mbili zilizoundwa na glasi ya plastiki ya uwazi. Maelezo ya tabaka mbili yamepewa hapa chini:

Tabaka la Kwanza

Katika sehemu ya chini ya safu ya kwanza, tumeweka seli ili kuwezesha bodi ya STM. Pia gari mbili za volt 4 kila moja imewekwa kila upande na matairi yaliyounganishwa ili roboti iende. Katika sehemu ya juu ya safu ya kwanza, betri mbili za volt 4 kila moja (jumla ya volts 8) na dereva wa gari IC (L298N) zimewekwa kwa ajili ya uendeshaji wa motors.

Tabaka la pili

Katika safu ya juu ya roboti, tumeweka Bodi ya STM kwenye Bodi ya Perf. Bodi nyingine ya manukato ya viboreshaji 4 vya opto imewekwa kwenye safu ya juu. Gyroscope pia imewekwa kwenye safu ya juu ya roboti kutoka upande wa chini. Vipengele vyote viwili vimewekwa katika sehemu ya kati ili katikati ya mvuto iwekwe chini iwezekanavyo.

Kituo cha Mvuto wa Robot

Katikati ya mvuto huhifadhiwa chini iwezekanavyo. Kwa kusudi hili, tumeweka betri nzito kwenye safu ya chini na vifaa vya taa kama bodi ya STM na vifaa vya macho kwenye safu ya juu.

Hatua ya 7: Kanuni

Nambari iliundwa kwenye Atollic TrueStudio. Studio ya STM ilitumika kwa madhumuni ya utatuzi.

Hatua ya 8: Hitimisho

Baada ya majaribio mengi na uchunguzi, hatimaye tunafika mahali tunatoa muhtasari wa matokeo yetu na kujadili ni kwa kiasi gani tumefanikiwa kutekeleza na kushughulikia ufanisi wa mfumo.

Mapitio ya Jumla

Wakati wa majaribio, kasi ya gari ilidhibitiwa kwa mafanikio kwa kutumia Algorithm ya PID. Curve hata hivyo sio laini laini laini. Kuna sababu nyingi za hii:

Sensorer ingawa imeunganishwa na hati ya kupitisha ya chini bado hutoa mashtaka fulani; hizi ni kwa sababu ya upingaji usio na laini na sababu zingine zinazoepukika za elektroniki za analog.

• Pikipiki haizunguki vizuri chini ya voltage ndogo au PWM. Inatoa jerks ambazo zinaweza kusababisha maadili yasiyofaa yaliyolishwa kwa mfumo.

• Kwa sababu ya kutetemeka, sensa inaweza kukosa nafasi zingine kutoa viwango vya juu. • Sababu nyingine kubwa ya makosa inaweza kuwa mzunguko wa saa ya msingi ya mdhibiti mdogo wa STM. Mfano huu wa mdhibiti mdogo wa STM hutoa saa ya msingi ya 168MHz. Ingawa ilishughulikiwa na shida hii katika mradi huu, kuna maoni ya jumla juu ya modeli hii kwamba haitoi kiwango kama hicho cha juu.

Kasi ya kitanzi wazi hutoa laini laini sana na maadili machache tu yasiyotarajiwa. Algorithm ya PID pia inafanya kazi kutoa muda wa chini wa kutulia wa gari. Algorithm ya PID ya gari ilijaribiwa chini ya voltages anuwai kuweka kasi ya kumbukumbu kila wakati. Mabadiliko ya voltage hayabadilishi kasi ya gari inayoonyesha kuwa Algorithm ya PID inafanya kazi vizuri

Ufanisi

Hapa tunajadili ufanisi wa mtawala wa PID ambao tumeona wakati wa majaribio.

Utekelezaji Rahisi

Tumeona katika sehemu ya majaribio na uchunguzi kwamba mtawala wa PID ni rahisi sana kutekeleza. Inahitaji tu vigezo tatu au vipindi ambavyo vinapaswa kuwekwa ili kuwa na mfumo wa kudhibiti kasi

Ustadi usiolinganishwa wa Mifumo ya Linear

Linear PID mtawala ni muhimu zaidi katika familia ya watawala kwa sababu mantiki ni rahisi sana na matumizi yanaenea ikiwa kuna matumizi ya laini au sawa.

Upungufu

Tulielezea katika muhtasari juu ya Upungufu wa mfumo huu. Hapa tunajadili machache kati yao ambayo tuliyaona.

Uchaguzi wa Mara kwa Mara

Tumeona kuwa, ingawa mtawala wa PID ni rahisi kutekeleza, bado ni shida kubwa ya mfumo kwamba hatua ya kuchagua thamani ya vipindi ni ya utumishi; inavyotakiwa mtu kufanya mahesabu mabaya. Njia nyingine ni njia ya kugonga na kujaribu lakini hiyo pia haifai.

Mara kwa mara sio mara kwa mara

Matokeo ya majaribio yalionesha kuwa kwa maadili anuwai ya kasi ya kumbukumbu kwa motor, mtawala wa PID alishindwa kufanya kazi kwa maadili sawa ya vipindi vya PID. Kwa kasi tofauti, mara kwa mara ilibidi ichaguliwe tofauti na hii inaongeza gharama ya hesabu kwa kiasi kikubwa.

Sio laini

Kidhibiti cha PID kinachotumiwa katika kesi yetu ni laini, kwa hivyo, inaweza kutumika kwa mifumo laini tu. Kwa mifumo isiyo ya laini, mtawala lazima atekelezwe tofauti. Ingawa njia tofauti zisizo na laini za PID zinapatikana, zinahitaji vigezo zaidi kuchaguliwa. Hii tena inafanya mfumo kuwa usiofaa kwa sababu ya gharama kubwa ya hesabu.

Push ya awali Inahitajika

Tulionyesha katika sehemu ya majaribio kuwa kwa kasi ndogo ya kumbukumbu ambapo kosa ni dogo mwanzoni, PWM inayotolewa na PID ni ndogo sana kwamba haitoi wakati unaohitajika wa kuanza kwa motor. Kwa hivyo motor katika majaribio mengine haiendeshi au katika majaribio mengine hutoa upeo mkubwa na muda mrefu wa kutulia.

Hatua ya 9: Shukrani za pekee

Shukrani za pekee kwa washiriki wa kikundi changu ambao walinisaidia kupitia mradi huu.

Nitapakia kiunga kwenye video hivi karibuni.

Natumaini utapata hii ya kufundisha ya kupendeza.

Huyu ndiye Tahir Ul Haq kutoka UET aliyesaini. Hongera !!!