Servo de réglage PID : dites adieu à la gigue, stabilisez le robot en trois étapes

Avez-vous déjà rencontré une situation dans laquelle le bras robotique que vous avez soigneusement construit continue de trembler lorsqu'il attrape quelque chose, comme un patient atteint de Parkinson ? Ou peut-être que le cardan du drone que vous avez construit se balançait de gauche à droite dans le vent et que l'image était floue, comme si vous filmiez un film catastrophe ?

Derrière cela, c'est souvent le « cerveau » de l'appareil à gouverner, et il y a un problème avec son programme de commande. De plus, l'algorithme de base qui contrôle la force et la précision de l'appareil à gouverner, à savoir le réglage PID, n'a pas été correctement ajusté. Ne soyez pas effrayé par ces trois lettres. Il ne s’agit pas d’une magie incompréhensible, mais d’une « technique d’équilibre » extrêmement délicate. Aujourd'hui, nous prendrons le plus couramment utiliséservomoteurà titre d'exemple pour analyser en profondeur le secret du réglage PID, afin que votre robot puisse passer de « contractions » à « douceur ».

Conseils pour la rédaction d'un article : coefficient proportionnel

Nous devons comprendre comment fonctionne l’appareil à gouverner. Vous lui donnez une instruction, c'est-à-dire « tournez-vous vers la position à 90 degrés » ; le moteur à l'intérieur tournera follement, entraînant ainsi le train d'engrenages et l'arbre de sortie ; en même temps, un capteur appelé « potentiomètre » détectera toujours l'angle réel de l'arbre ; lorsque l'angle réel est immobile. Lorsqu'il n'a pas atteint 90 degrés, le contrôleur invite le moteur à fonctionner vers l'avant à une puissance de sortie maximale de quelques unités par seconde ; une fois qu'il dépasse la position cible, il doit reculer ; sans mécanisme de réglage exquis, il sautera à plusieurs reprises dans la zone proche de la position cible. C'est le phénomène de « gigue » que nous observons.

Le contrôle PID est une compétence extraordinaire pour faire face à ce problème de « saut horizontal répété ». P, I et D sont respectivement les abréviations de proportion, intégrale et différentielle. Tous les trois sont comme un groupe d'experts, travaillant ensemble pour envoyer la commande « signal PWM » pour indiquer à l'appareil à gouverner quelle force utiliser et dans quelle direction tourner.

Jetons d’abord un coup d’œil au membre le plus critique et le plus important de l’équipe, à savoir le coefficient proportionnel, appelé P en abrégé. Le travail qu'elle effectue présente les caractéristiques les plus simples, les plus directes et les plus grossières : juger de la force du résultat sur la base de l'erreur actuelle. Alors, qu’appelle-t-on une erreur ? Ce qu'on appelle l'erreur est la différence obtenue en soustrayant « l'angle cible » de « l'angle actuel ». Supposons que vous envisagez de tourner à 90 degrés et que vous êtes actuellement à 0 degré, l'erreur est alors de 90 degrés. La fonction de P est la suivante : le résultat est égal à l'erreur multipliée par le coefficient proportionnel. Plus le coefficient est grand, plus le rendement est important.

Par exemple, votre robot doit être capable de lever une jambe avec agilité. Si la valeur P est trop petite, ce sera comme si vous utilisiez une nouille molle pour soulever une pierre. La commande reçue par leservomoteurest de « soulever lentement et doucement ». En conséquence, la jambe ne peut pas être levée du tout ou le mouvement est aussi lent qu'un paresseux. Si la valeur P est trop élevée, ce sera comme si vous demandiez d'utiliser toutes vos forces pour combattre un moustique qui s'est posé sur votre bras - la force est vraiment trop forte. Quand leservomoteurapproche presque des 90 degrés, il se précipite toujours à une vitesse folle, atteint la limite supérieure avec fracas, puis rebondit et se précipite à nouveau, provoquant de violentes secousses. Avec un coefficient proportionnel adapté, le servo peut utiliser 80 % de sa puissance pour courir rapidement vers la cible et ralentir à l'approche.

Q/R : Qu'arrive-t-il au servo lorsque le coefficient proportionnel est trop grand ?

R : Il vibre violemment ou émet des bruits aigus, et le dépassement de force le fait osciller d'avant en arrière à la position cible. Dans les cas graves, l'engrenage peut être endommagé.

Par conséquent, la première étape pour ajuster le PID est de combattre seul et d'ajuster uniquement P. Réglez I et D sur 0. Augmentez progressivement la valeur P de petit à grand, et en même temps faites attention au retour de l'appareil à gouverner. Vous serez témoin d'un processus d'évolution clair : lorsque P est extrêmement petit, le mouvement est lent, toujours à quelques degrés de l'objectif (c'est ce qu'on appelle la « différence statique ») ; à mesure que P augmente, le mouvement devient plus rapide, mais il y aura de faibles secousses près du point cible ; à mesure que P augmente encore, les secousses s'intensifient, évoluant vers de violentes oscillations. Le point idéal apparaît généralement juste avant la valeur critique, là où la vibration vient juste de commencer à trembler légèrement mais n'est pas encore devenue incontrôlable. N'oubliez pas ce sentiment, c'est la pierre angulaire de tous vos débogages ultérieurs.

Mots d'invite pour la rédaction d'un article : éléments intégraux

Cependant, avec P seul, vous rencontrerez rapidement un goulot d’étranglement. Par exemple, si votre robot tient un objet lourd, le servo doit être maintenu à 90 degrés sans se desserrer. En raison de l’attraction gravitationnelle, une erreur continue sera générée. Le contrôle P présente les caractéristiques suivantes : plus l'erreur est grande, plus l'effort requis est important. Cependant, pour contrecarrer cette gravité, une « force corrective » continue est nécessaire. Mais lorsque l'erreur est extrêmement petite, la force donnée est également très faible, ce qui fait que le servo ne peut jamais atteindre avec précision 90 degrés et peut rester à la position de 89,5 degrés. Il s’agit de « l’erreur statique » mentionnée précédemment.

A cette époque, c'était au tour du deuxième expert de l'équipe, l'élément à points, appelé I, de faire ses débuts. Mon rôle est celui d'un comptable doté d'une très bonne mémoire. Sa tâche est d'additionner toutes les erreurs passées. Tant que l’erreur persiste, cette somme cumulée continuera d’augmenter. Ensuite, ce « grand livre » sera également multiplié par un coefficient et ajouté à la commande de sortie finale.

Ce mécanisme est tout simplement incroyable ! Lorsque l'appareil à gouverner atteint 89,5 degrés en raison de la gravité, une légère erreur de 0,5 degrés se produit. À l'heure actuelle, P ne peut produire qu'une force faible à cet effet, à laquelle il est difficile de résister à la gravité. Cependant, je retiendrai l'erreur de 0,5 degré. Après une seconde, il accumulera les 0,5 degrés et deviendra 1, degré, et après deux secondes, il deviendra 1,5 degrés, etc. La valeur accumulée continue d'augmenter et la force supplémentaire produite continue également d'augmenter. Finalement, cette « poussée supplémentaire » toujours existante surmontera avec précision l'influence de la gravité, poussant de force le servo à un angle précis de 90 degrés et le verrouillant à cet angle.

Q/R : Quels problèmes le terme intégral peut-il résoudre ?

R : Éliminez les erreurs statiques. Il fournit une force continue en accumulant de petites déviations, permettant à l'appareil à gouverner de résister aux interférences externes et d'atteindre finalement la position précise.

Cependant, je suis aussi un personnage dangereux. Si la valeur I est trop grande ou s'il y a une erreur initiale dans le système, par exemple lorsqu'elle n'est pas à 0 dès la mise sous tension, la somme accumulée augmentera rapidement, ce qui amènera le servo à produire une énorme force de « surcorrection », provoquant un dépassement sévère et une oscillation violente à long terme, appelée « saturation intégrale ». Une situation plus courante est que votre bras robotique est coincé sur quelque chose, l'erreur est toujours là, et je vais accumuler comme un fou. Lorsque l'obstacle disparaît soudainement, cette énorme force cumulée sera libérée instantanément, faisant voler le servo comme s'il était éjecté, ce qui est extrêmement dangereux.

Conseils pour la rédaction d'articles : termes différentiels

À ce moment, notre servo répond immédiatement lorsque P est piloté, et avec l'aide de I, il se positionne avec précision, ce qui semble plutôt bien. Cependant, il est très probable qu’elle semble encore insuffisante face à certains scénarios évoluant rapidement. Imaginez que votre drone plane dans un vent fort ou que votre robot de course doive s'arrêter d'urgence et tourner en un instant. À ce moment-là, les réponses de P et moi semblaient un peu « lentes ». C'est parce qu'ils ont été ajustés "après coup". Ce dont nous avons besoin, c’est de la capacité de prévoir.

Il s'agit du groupe de réflexion de l'équipe, appelé terme différentiel, ou D en abrégé. Le rôle de D est comme celui d’un prophète. Peu importe l'ampleur de l'erreur actuelle, ni le nombre d'erreurs accumulées dans le passé. Il ne s'intéresse qu'à une chose : la rapidité avec laquelle l'erreur évolue. Il calculera le taux de variation de l’erreur, autrement dit la « pente de l’erreur ». , si l'erreur s'étend rapidement, par exemple si l'appareil à gouverner s'écarte rapidement de la cible, D produira une énorme force inverse, comme un frein d'urgence, pour arrêter cette situation. Si l'erreur diminue à une vitesse très rapide, c'est-à-dire que le servo se déplace vers la cible à grande vitesse, alors D produira également une force dans la direction opposée et "appuiera sur le frein" à l'avance pour l'empêcher de dépasser.

Utilisons une métaphore intelligente. Vous conduisez pour rencontrer un ami. P fait référence au contrôle de l'accélérateur, et plus vous allez loin, plus vous appuyez dessus. C'est lorsque vous attendez le feu rouge, faites glisser lentement la voiture vers l'avant pour éliminer la distance par rapport à la ligne d'arrêt. C'est une sorte d'opération. Un comportement en phase d’attente ; et D, lorsque vous voyez un feu rouge devant vous, relâchez l'accélérateur et freinez doucement. C'est un tel comportement opérationnel. Il doit être clair qu’il ne s’agit pas de corriger des erreurs déjà survenues, mais d’empêcher que des erreurs ne se produisent.

Dans le domaine de la commande des appareils à gouverner, le rôle de D est extrêmement critique. Il peut supprimer considérablement le « dépassement » et « l'oscillation » provoqués par un P excessif ou un impact externe. Par exemple, il existe un bras robotique qui doit se déplacer rapidement d’un point à un autre. S'il n'y a pas de D, cela peut être comme un ivrogne, frappant le point cible avec un « clang » puis rebondissant ; mais lorsqu'un D approprié est ajouté, il peut décélérer de manière élégante lorsqu'il est sur le point de s'approcher du point cible et tomber aussi doucement qu'une plume.

Q/R : Quelle est la fonction principale du terme différentiel ?

R : Supprimez le dépassement et l’oscillation. Il prédit la tendance des erreurs et freine à l'avance, donnant à l'appareil à gouverner une « prévisibilité » et rendant l'action plus fluide.

Jusqu’à présent, l’équipe d’experts de PID est au complet. P porte le pouvoir du « présent », I contrôle les comptes du « passé » et D contrôle la tendance du « futur ». Tous les trois utilisent des servos performants tels quekpuissanceServo et le logiciel de débogage qui l'accompagne pour vous permettre d'ajuster chaque paramètre de manière extrêmement délicate comme un accordeur.

Bien sûr, ce que l’on obtient du papier ne semble finalement pas assez profond. Le processus de débogage proprement dit est souvent effectué selon un processus classique. Nous appelons ce processus la « méthode de stabilisation en trois étapes ».

Étape 1 : Réglez I et D à zéro. En partant de 0, augmentez lentement la valeur de P jusqu'à ce que le servo commence à produire de légères vibrations continues d'égale amplitude. N'oubliez pas cette valeur P, puis réduisez-la de moitié et utilisez cette valeur réduite de moitié comme valeur P de départ. Cette « valeur P de vibration » est une caractéristique clé de votre système.

Dans la deuxième étape, maintenez la valeur P de la première étape, augmentez lentement la valeur I à partir de 0 et augmentez I jusqu'à ce que le servo élimine la différence statique et puisse revenir à sa position d'origine rapidement et sans vibration après avoir été perturbé par des forces externes (comme tourner le bras du servo avec votre doigt). S'il y a une forte secousse, cela signifie que I est trop grande, réduisez-la.

Q/A : Quelle est la séquence correcte pour le débogage PID ?

R : Ajustez d'abord P à l'oscillation critique, puis réduisez-la de moitié, puis ajustez I pour éliminer la différence statique, et enfin ajustez D pour supprimer les répliques et optimisez étape par étape dans l'ordre PID.

En trois étapes, tout d'abord, dans la première étape, P et moi avons fait en sorte que votre servo atteigne la position correspondante rapidement et avec précision. Cependant, il peut encore y avoir de légers « hochements de tête » ou des « répliques ». Ensuite, dans la deuxième étape, à ce moment-là, augmentez la valeur D de 0, et vous constaterez alors qu'à mesure que D augmente, la petite secousse finale disparaîtra très rapidement et l'action entière deviendra extrêmement nette et nette. Enfin, dans la troisième étape, soyez prudent. Si la valeur D est trop grande, la réponse du servo deviendra lente et il émettra même un cri à haute fréquence, se terminant.

Je vais partager avec vous un point clé qui est tacitement compris par les meilleurs dans presque tous les domaines. Autrement dit, le PID parfait n’est pas un ensemble de nombres précis, mais une méthode artistique pour atteindre l’équilibre. Il n’existe pas de « paramètres universels » qui s’appliquent à toutes les situations. Vous devez effectuer des ajustements dynamiques en fonction de la charge du servo, des exigences de vitesse de réponse et même des changements de température de l'environnement. En ce qui concerne les projets réalisés par les étudiants, il est plus crucial de poursuivre « des fonctions satisfaisantes et de maintenir la stabilité » que de rechercher « l'état optimal déterminé par la théorie pure ». Un robot qui se déplace légèrement au-delà de la plage de réglage attendue mais ne reste jamais bloqué est bien plus efficace qu'un robot théoriquement précis mais qui vibre souvent violemment.

Suggestions d'actions :

À ce moment, veuillez récupérer votre robot immédiatement et démarrer votre logiciel de débogage de servo. En partant de la valeur P, utilisez ce que nous appelons la « méthode en trois étapes » pour expérimenter personnellement les changements de chaque paramètre. Utilisez d'abord votre téléphone portable pour enregistrer la situation de gigue actuelle avec une vidéo au ralenti, puis notez les valeurs P/I/D que vous ajustez à chaque tour et les effets correspondants. Croyez-moi, lorsque vous ajustez personnellement un robot dans un état « épileptique » pour qu'il soit fluide et naturel, vous ressentirez un tel sentiment d'accomplissement qu'aucun code prêt à l'emploi ne peut vous donner. À partir d'aujourd'hui, dites adieu au jitter et laissez votre servo comprendre réellement chacune de vos commandes.