CN106773647B - 一种比例积分微分控制方法、控制系统以及无人搬运车 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种比例积分微分控制方法、控制系统以及无人搬运车。所述比例积分微分控制方法包括如下步骤：获取第一控制要素的取值范围；在所述第一控制要素的取值范围内选取多个采样值；获取所述选取的多个采样值所对应的各个比例积分微分参数值；利用所述多个采样值及其对应的各个所述比例积分微分参数值通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线；测量第一控制要素当前值，将所述第一控制要素当前值代入所述关系曲线中，得出所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值；根据得到的所述比例积分微分参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。该比例积分微分控制方法可以使控制更为便捷。

Description

一种比例积分微分控制方法、控制系统以及无人搬运车

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种比例积分微分控制方法、比例积分微分控制系统以及具有该比例积分微分控制系统的无人搬运车。

背景技术

PID(比例积分微分)控制技术已逐渐应用于各种车辆、机器人等领域，作为这些装置、设备的控制方法。PID控制技术中主要包括比例(Kp)、积分(Ki)、微分(Kd)三个参数的控制。其中，比例参数的控制是PID控制的基础、积分参数的控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分参数的控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

在实际的应用中，PID参数值通常都是进行现场校准的，针对不同的环境和不同的设备条件进行多次校准，并且每次控制要素的变化时，都需要对PID参数值进行重新调整，才可以使控制目标达到所需的PID控制效果。例如，在无人搬运车的PID控制过程中，无人搬运车的载重会随着工厂的需要在设计的负载范围内进行变化，而当车辆所载的负重发生时，原先的PID参数值通常需要进行重新校准。因此，在应用PID控制的过程中较为繁琐、

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种比例积分微分控制方法、比例积分微分控制系统以及无人搬运车。该比例积分微分控制方法可以在控制要素变化时，快速地获取变化后的控制要素所对应的比例积分微分参数值，使比例积分微分控制更为便捷。

根据本发明的一个方面提供一种比例积分微分控制方法，所述比例积分微分控制方法包括如下步骤：获取第一控制要素的取值范围；在所述第一控制要素的取值范围内选取多个采样值；获取所述选取的多个采样值所对应的各个比例积分微分参数值；利用所述多个采样值及其对应的各个所述比例积分微分参数值通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线；测量第一控制要素当前值，将所述第一控制要素当前值代入所述关系曲线中，得出所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值；根据得到的所述比例积分微分参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。

优选地，所述比例积分微分参数包括比例参数、积分参数以及微分参数，在获取所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线的步骤中，假定所述积分参数为一定值、所述微分参数为0，获取所述比例参数与所述第一控制要素之间的关系曲线。

优选地，在所述选取多个采样值的步骤中，选取的每两个所述采样值之间的差值为所述第一控制要素的取值范围的1/20。

优选地，所述采样值所对应的各个比例积分微分参数值根据理论计算整定法计算取得或者根据工程整定法校准获得。

优选地，所述比例积分微分控制方法还包括第二控制要素，在所述获取采样值对应的比例积分微分参数值以及获取所述第一控制要素与其比例积分微分参数值之间的关系曲线的步骤中，假定所述第二控制要素不变。

优选地，当所述第二控制要素变化时，所述根据得到的当前比例积分微分参数进行调整的步骤中还包括如下步骤：测量第二控制要素当前值；根据所述第二控制要素当前值对所述比例积分微分参数值按照比例关系进行调整。

优选地，所述比例积分微分控制方法用于无人搬运车的比例积分微分控制中，所述第一控制要素为所述无人搬运车的负重。

优选地，所述比例积分微分控制方法还包括第二控制要素，所述第二控制要素为地面的摩擦系数。

根据本发明的另一个方面，还提供一种比例积分微分控制系统，所述比例积分微分控制系统包括：第一获取模块，用于获取第一控制要素的取值范围；采样模块，与所述第一获取模块相连接，用于在所述第一获取模块所获取的取值范围内进行采样；第二获取模块，与所述采样模块相连接，根据所述采样模块选取的采样值获取对应的比例积分微分参数值；曲线生成模块，与所述采样模块和所述第二获取模块相连接，根据所述采样模块选取的采样值以及所述第二获取模块获取的比例积分微分参数值生成通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线；第一测量模块，用于测量第一控制要素的当前值；比例积分微分参数值生成模块，与所述曲线生成模块和所述第一测量模块相连接，用于将所述第一控制要素当前值代入所述曲线生成模块生成的关系曲线中，生成所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值；控制模块，与所述比例积分微分参数值生成模块相连接，根据所述比例积分微分参数值生成模块生成的比例积分微分参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。

根据本发明的又一个方面，还提供一种无人搬运车，所述无人搬运车包括上述的比例积分微分控制系统。

相比于现有技术，本发明实施例提供的比例积分微分控制方法和比例积分微分控制系统利用多个采样值及其对应的各个比例积分微分参数值通过三次样条插值法生成第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线，进而，当第一控制要素发生变化时，可以通过测量第一控制要素当前值，将第一控制要素当前值代入上述的关系曲线中，快速地得出所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值，并使用该比例积分微分参数值对控制目标进行自动控制。该比例积分微分控制方法尤其适用于无人搬运车的比例积分微分控制中，在无人搬运车负重中心稳定的情况下，可以通过在当前环境中获取无人搬运车负重与其比例积分微分参数值之间的关系曲线。当无人搬运车负重变化时，可以通过该关系曲线快速查找到当前负重所对应的比例积分微分参数值进行控制，避免了现有技术中的重新校准等步骤，使无人搬运车的比例积分微分控制更为简单、快捷。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种比例积分微分控制方法的流程图；

图2为本发明的一种比例积分微分控制方法中通过三次样条差值法生成的无人搬运车的负重与比例积分微分参数值之间的关系曲线；

图3为本发明的另一种比例积分微分控制方法的流程图；以及

图4为本发明一种比例积分微分控制系统结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本发明的一种PID(比例积分微分，下文均称PID)控制方法的流程图。需要说明的是，本发明的PID控制方法可以用于无人搬运车的PID控制中。因此，本发明的实施例中以无人搬运车的PID控制方法为例进行说明，但并不以此为限，该控制方法同样可以应用于例如机器人等其他设备的自动控制技术中。如图1所示，在本发明的实施例中，该PID控制方法包括如下步骤：

步骤S10：获取第一控制要素的取值范围。在本发明实施例中，以无人搬运车的PID控制为例，当控制目标为无人搬运车时，该第一控制要素为无人搬运车的负重。进而，在此步骤中，即为获取无人搬运车的负重范围，该负重范围可以由无人搬运车的额定负重或者无人搬运车通常运行过程中的常用负重范围。

步骤S20：在所述第一控制要素的取值范围内选取多个采样值。以无人搬运车的PID控制为例，即为在上述步骤S10中获取的无人搬运车的负重范围内选取多个采样值。在本发明的优选实施例中，在选取多个采样值的步骤中，选取的每所述采样值之间的差值为第一控制要素的取值范围的1/20，从而，可以使采样值的选取较为均匀，以增加后续获取关系曲线(可参见后续步骤)时的准确性。例如，假设无人搬运车的负重范围为0～1000千克。则在此步骤中，每两个采样值之间的差值为50千克。进而，选取的采样值可以是400千克、450千克、500千克、550千克、600千克等5个等差且差值为50千克的采样值。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，采样值可以在负重范围内随机选取(即不为等差)。此外，选取采样值的数量也是可以进行变化的，采样值选取数量的增加也可以增加后续获取关系曲线(可参见后续步骤)时的准确性，在此不予赘述。

步骤S30：获取所述选取的多个采样值所对应的各个PID参数值。以无人搬运车的PID控制为例，即为获取上述步骤S20中所选取的多个不同的采样值(无人搬运车负重)所对应的不同的PID参数值。在本发明的优选实施例中，采样值所对应的各个PID参数值根据理论计算整定法计算取得或者根据工程整定法校准获得。其中，理论计算整定法主要是根据数学模型和理论计算求得PID参数值，工程整定法主要是根据工程经验来校准PID参数值。在实际的无人搬运车PID控制的应用中，通常使用工程整定法来校准PID参数的方式较多，因此，该步骤中同样可以使用工程整定法获取不同的负重下，无人搬运车的PID参数值。

步骤S40：利用所述多个采样值及其对应的各个所述PID参数值通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述PID参数值之间的关系曲线。以无人搬运车的PID控制为例，利用上述步骤S30中多个采样值(负重)及其所对应的各个PID参数值通过三次样条插值法可以得到一条无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线。

具体来说，所述PID参数包括比例参数(Kp)、积分参数(Ki)以及微分参数(Kd)。其中，积分参数的控制可消除稳态误差，微分参数的控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。在获取第一控制要素(无人搬运车的负重)与PID参数值之间的关系曲线的步骤中，积分参数可以假定为一定值，该定值可以根据实际运行的经验取得。微分参数可以假定为0。进而，获取第一控制要素(无人搬运车的负重)与PID参数值之间的关系曲线在本发明实施例中实质上可以理解为获取比例参数与第一控制要素(无人搬运车的负重)之间的关系曲线。

下面提供一组无人搬运车的负重范围内的20个采样点及其对应的比例参数，并以此为例对上述步骤S40进行说明。

负重采样点	1	2	3	4	5
						比例参数(Kp)	0.35	0.35	0.351	0.355	0.359
负重采样点	6	7	8	9	10
						比例参数(Kp)	0.361	0.367	0.372	0.38	0.385
负重采样点	11	12	13	14	15
						比例参数(Kp)	0.39	0.393	0.395	0.396	0.4
负重采样点	16	17	18	19	20
						比例参数(Kp)	0.4	0.41	0.41	0.42	0.42

表1

根据表1通过三次样条插值法生成无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线。请参见图2，其示出了本发明的一种PID控制方法中通过三次样条差值法生成的无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线。图2是根据上述表1中的数据所生成的无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线。其中，上述无人搬运车的负重范围是以0～1吨为例，因此，20个采样点中每两个采样点之间的负重的差值为50千克。进而，根据图2所示的关系曲线，只需获取无人搬运车的负重即可获得该负重下所对应的PID参数值。

步骤S50：测量第一控制要素当前值，将所述第一控制要素当前值代入所述关系曲线中，得出所述第一控制要素当前值所对应的PID参数值。以无人搬运车的PID控制为例，在上述步骤S40生成的无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线的基础上，对实时运行中的无人搬运车的当前负重进行测量，将测量得到的当前负重值带入上述关系曲线中即可得到其对应的PID参数值。需要说明的是，测量的时间可以在无人搬运车运行前或者其负重每次发生变化后进行，例如每完成一次搬运即会造成无人搬运车的负重发生变化，进而，每当无人搬运车完成一次搬运后即可对其负重进行测量。

步骤S60：根据得到的所述PID参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。以无人搬运车的PID控制为例，在测量得到无人搬运车负重的当前值、并生成相对应的PID参数值后，即以该PID参数值控制无人搬运车正常运行。

进一步地，所述PID控制方法还包括第二控制要素。具体来说，在上述获取采样值对应的PID参数值(即步骤S30)以及获取第一控制要素与其PID参数值之间的关系曲线(即步骤S40)等步骤中，假定第二控制要素不变。在上述无人搬运车的PID控制的实施例中，所述第二控制要素为地面的摩擦系数。摩擦系数也会对无人搬运车的PID控制形成影响。上述步骤均为假定无人搬运车在同一环境下(例如同一个仓库内具有相同的摩擦系数)完成的。

进一步地，在实际的应用中第二控制要素也可能发生变化，例如，在无人搬运车的运行中，无人搬运车可能需要又一个地点(例如第一仓库)搬运至另一地点(例如第二仓库)。进而，请参见图3，其示出了本发明的另一种PID控制方法的流程图。与上述实施例不同的是，在此实施例中，第二控制要素发生了变化。具体来说，当第二控制要素变化时，上述根据得到的当前PID参数进行调整的步骤(步骤S60)中还包括如下步骤：

步骤S601：测量第二控制要素当前值。以无人搬运车为例，当无人搬运车运行地点发生改变时(例如由第一仓库运行至第二仓库，第一仓库的地面摩擦系数与第二仓库的地面摩擦系数不同)，地面的摩擦系数发生了改变，进而，需要对当前的摩擦系数进行测量。其中，无人搬运车可以通过外界设备(例如地标或者镭射数据)读入当前的摩擦系数。

步骤S602：根据所述第二控制要素当前值对所述PID参数值按照比例关系进行调整。以无人搬运车为例，可以根据当前的摩擦系数(例如第二仓库的地面摩擦系数)与变化前的摩擦系数(例如第一仓库的地面摩擦系数)之间的比值，来对在变化前的摩擦系数条件下根据关系曲线获得的PID参数值进行相应比例的调整，以此在摩擦系数变化后的条件下实现理想的控制效果。

结合上述图1至图3所示实施例，本发明的PID控制方法利用多个采样值及其对应的各个PID参数值通过三次样条插值法生成第一控制要素与所述PID参数值之间的关系曲线，进而，当第一控制要素发生变化时，可以通过测量第一控制要素当前值，将第一控制要素当前值代入上述的关系曲线中，快速地得出所述第一控制要素当前值所对应的PID参数值，并使用该PID参数值对控制目标进行自动控制。该PID控制方法尤其适用于无人搬运车的PID控制中，在无人搬运车负重中心稳定的情况下，可以通过在当前环境中获取无人搬运车负重与其PID参数值之间的关系曲线。当无人搬运车负重变化时，可以通过该关系曲线快速查找到当前负重所对应的PID参数值进行控制，避免了现有技术中的重新校准等步骤，使无人搬运车的PID控制更为简单、快捷。

进一步地，本发明还提供一种PID控制系统。请参见图4，其示出了本发明的一种PID控制系统结构示意图。具体来说，在图4所示的实施例中，所述PID控制系统包括：第一获取模块1、采样模块2、第二获取模块3、曲线生成模块4、第一测量模块5、PID参数值生成模块6以及控制模块7。

具体来说，第一获取模块1用于获取第一控制要素的取值范围。当该PID控制系统应用于无人搬运车的PID控制中时，第一获取模块1用于获取无人搬运车的负重范围。

采样模块2与第一获取模块1相连接，用于在第一获取模块1所获取的取值范围内进行采样。以无人搬运车为例，采样模块2在无人搬运车的负重范围内进行采样，其采样的步骤可以参见上述实施例中的步骤S20，在此不予赘述。

第二获取模块3与采样模块2相连接，根据采样模块2选取的采样值获取对应的PID参数值。以无人搬运车为例，第二获取模块3根据采样模块2选取的无人搬运车负重范围内的多个采样值来获取每个采样值对应的PID参数值，其获取PID参数值的步骤可以参见上述实施例中的步骤S30，在此不予赘述。

曲线生成模块4与采样模块2和第二获取模块3相连接，根据采样模块2选取的采样值以及第二获取模块3获取的PID参数值生成通过三次样条插值法生成第一控制要素与PID参数值之间的关系曲线。以无人搬运车为例，曲线生成模块4根据采样模块2选取的无人搬运车负重范围内的采样值以及第二获取模块3获取的PID参数值生成通过三次样条插值法生成无人搬运车的负重与PID参数值之间的关系曲线。

第一测量模块5用于测量第一控制要素的当前值。以无人搬运车为例，第一测量模块5用于测量无人搬运车的当前负重。

PID参数值生成模块6与曲线生成模块4和第一测量模块5相连接，用于将第一控制要素当前值代入曲线生成模块4生成的关系曲线中，生成第一控制要素当前值所对应的PID参数值。以无人搬运车为例，PID参数值生成模块6将无人搬运车的当前负重代入曲线生成模块4生成的关系曲线中，生成当前负重所对应的PID参数值。

控制模块7与PID参数值生成模块6相连接，根据PID参数值生成模块6生成的PID参数值进行调整后，对控制目标进行自动控制。以无人搬运车为例，控制模块7根据PID参数值生成模块6生成的PID参数值进行调整后，对无人搬运车进行自动控制。

进一步地，本发明还提供一种无人搬运车，该无人搬运车包括如上述图4中的PID控制系统。进而，由于该无人搬运车具有该PID控制系统，因此，在无人搬运车负重中心稳定的情况下，可以通过在当前环境中获取无人搬运车负重与其PID参数值之间的关系曲线。当无人搬运车负重变化时，可以通过该关系曲线快速查找到当前负重所对应的PID参数值进行控制，避免了现有技术中的重新校准等步骤，使无人搬运车的PID控制更为简单、快捷。

综上所述，本发明实施例提供的PID控制方法和PID控制系统利用多个采样值及其对应的各个PID参数值通过三次样条插值法生成第一控制要素与所述PID参数值之间的关系曲线，进而，当第一控制要素发生变化时，可以通过测量第一控制要素当前值，将第一控制要素当前值代入上述的关系曲线中，快速地得出所述第一控制要素当前值所对应的PID参数值，并使用该PID参数值对控制目标进行自动控制。该PID控制方法尤其适用于无人搬运车的PID控制中，在无人搬运车负重中心稳定的情况下，可以通过在当前环境中获取无人搬运车负重与其PID参数值之间的关系曲线。当无人搬运车负重变化时，可以通过该关系曲线快速查找到当前负重所对应的PID参数值进行控制，避免了现有技术中的重新校准等步骤，使无人搬运车的PID控制更为简单、快捷。

虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种比例积分微分控制方法，其特征在于，所述比例积分微分控制方法用于无人搬运车的比例积分微分控制中，所述比例积分微分控制方法包括如下步骤：

获取第一控制要素的取值范围，所述第一控制要素为所述无人搬运车的负重；

在所述第一控制要素的取值范围内选取多个采样值；

获取所述选取的多个采样值所对应的各个比例积分微分参数值；

利用所述多个采样值及其对应的各个所述比例积分微分参数值通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线；

测量第一控制要素当前值，将所述第一控制要素当前值代入所述关系曲线中，得出所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值；

根据得到的所述比例积分微分参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。

2.如权利要求1所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，所述比例积分微分参数包括比例参数、积分参数以及微分参数，在获取所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线的步骤中，假定所述积分参数为一定值、所述微分参数为0，获取所述比例参数与所述第一控制要素之间的关系曲线。

3.如权利要求1所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，在所述选取多个采样值的步骤中，选取的每两个所述采样值之间的差值为所述第一控制要素的取值范围的1/20。

4.如权利要求1所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，所述采样值所对应的各个比例积分微分参数值根据理论计算整定法计算取得或者根据工程整定法校准获得。

5.如权利要求1所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，所述比例积分微分控制方法还包括第二控制要素，在所述获取采样值对应的比例积分微分参数值以及获取所述第一控制要素与其比例积分微分参数值之间的关系曲线的步骤中，假定所述第二控制要素不变。

6.如权利要求5所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，当所述第二控制要素变化时，所述根据得到的当前比例积分微分参数进行调整的步骤中还包括如下步骤：

测量第二控制要素当前值；

根据所述第二控制要素当前值对所述比例积分微分参数值按照比例关系进行调整。

7.根据权利要求1所述的比例积分微分控制方法，其特征在于，所述比例积分微分控制方法包括第二控制要素，所述第二控制要素为地面的摩擦系数。

8.一种比例积分微分控制系统，其特征在于，该比例积分微分控制系统应用于无人搬运车的比例积分微分控制中，所述比例积分微分控制系统包括：

第一获取模块，用于获取第一控制要素的取值范围，所述第一控制要素为所述无人搬运车的负重；

采样模块，与所述第一获取模块相连接，用于在所述第一获取模块所获取的取值范围内进行采样；

第二获取模块，与所述采样模块相连接，根据所述采样模块选取的采样值获取对应的比例积分微分参数值；

曲线生成模块，与所述采样模块和所述第二获取模块相连接，根据所述采样模块选取的采样值以及所述第二获取模块获取的比例积分微分参数值生成通过三次样条插值法生成所述第一控制要素与所述比例积分微分参数值之间的关系曲线；

第一测量模块，用于测量第一控制要素的当前值；

比例积分微分参数值生成模块，与所述曲线生成模块和所述第一测量模块相连接，用于将所述第一控制要素当前值代入所述曲线生成模块生成的关系曲线中，生成所述第一控制要素当前值所对应的比例积分微分参数值；

控制模块，与所述比例积分微分参数值生成模块相连接，根据所述比例积分微分参数值生成模块生成的比例积分微分参数值进行调整后，对所述控制目标进行自动控制。

9.一种无人搬运车，其特征在于，所述无人搬运车包括如权利要求8所述的比例积分微分控制系统。

Images