卓老師，祝您新年快樂。抱歉在您休息的時候打擾您。我學習了前天的推文
。既然通過pd控制可以讓車模運行達到穩定，爲什麼有些學校還要引入速度環＋電流環的串級pid呢？我不是很明白，麻煩老師有空時候點撥一下。
卓老師，再給我們講講串級PID唄。
我****記得在剛拿到駕照之後，開着租來的一輛汽車到市中心去辦事。整個駕車過程只能用一個詞來形容-
忐忑。心生疑慮，開車如此緊張，爲什麼人們還是喜歡駕車呢？經過一段時間鍛鍊之後，就會發現開車的便利，並喜歡上駕車的感覺了。
前面的參加智能車競賽同學之所以產生疑慮，詢問爲何在車模控制中還要引入“速度環+電流環”串級PID控制，應該說他們還沒有學習，或者剛剛學習控制理論，認爲這是一個比較繁瑣、玄妙的過程。
實際上，當真正理解和掌握控制理論之後，就會發現反饋控制是一個非常
簡潔優雅的工具，喜歡在任何地方使用它。就像熟悉開車之後，就願意駕車去到自己要去的遠方了。到那時，如果車模控制中不引入“速度環”、“電流環”等，反而就會覺得不自然，覺得此時車模就像在
裸奔，危機四伏、隨時會死的很難看。
下文只是回答爲什麼需要在車模控制中引入更多的內部閉環控制，至於如何有效實現這些控制，將來有時間再討論。
人類在工業革命之後，便開始大規模控制機器去幫助人們完成各種工作。經過二十世紀前五十年發展，最終發現，無論控制對象是機械、電子、化學過程等多麼不同，只要滿足以下幾個特性，最終的控制方法都會變得簡單和統一。
1）因果特性：控制對象的輸出能夠與一個，或者幾個輸入量存在着因果關係。比如物體的運動，與其受力之間是因果關係。
2）線性特性：輸入輸出之間的規律呈現簡單的線性關係，即滿足疊加性和齊次性。
3）時不變特性：輸入輸出之間的規律不隨着時間的改變而變化。
上面的特性看似簡單，但人類是經過很長時間的實踐之後才最終總結出來，並在此基礎上，提出了一整套統一的分析和控制的方法，在整個二十世紀中不僅幫助人們登上了月球，也在各個領域中極大提高了工作質量和效率。
前面提到的控制核心原理同樣適用於競賽中的車模控制。
競賽中比的就是車模控制的又快又穩，車模需要說走就走，說停就停。爲了達到這個目的，下面就需要梳理一下決定車模位置和速度的因果關係。
現在的車模控制核心是由其上的單片機軟件完成。控制指令經由單片機上的外設（IO，DA，PWM等）通過一系列的環節配合（電機驅動、電機、舵機、機械傳動等）最終驅動車模運動，使得它的位置偏差和速度實現控制目標。
如果仔細分析整個控制流程，就會發現它與前面所希望的控制對象理想特性之間（因果、線性、時不變）存在着很多差別。
車模控制中的因果關係、不確定性、非線性
首先，上面控制關係流程中，並不都是因果傳遞關係。比如在電機控制中，電機驅動板施加在電機轉子上的電壓，決定了轉子電樞電流，電樞電流產生磁場，決定了轉子所受的電磁力矩，電磁力矩減去外部負載力矩，決定了轉子的加速度，加速度決定了電機的轉速。
但是，電機轉子的轉速反過來又會在定子磁場中產生感應電動勢，抵消外部施加的電壓，從而減少轉子電流，降低了轉子的磁力矩。
因此，這其中存在着反饋耦合關係，這就打破了前面的控制規律中的簡單的因果關係了。
電機運動中的電壓、電流、轉速、感應電動勢
其次，在控制環節中存在着很多非線性環節，比如PWM，驅動板輸出的飽和區，死區，電機磁場的非線性、機械傳動中的間隙、舵機延遲、賽道導航磁場分佈不均勻、攝像頭鏡頭失真等。幾乎每個環節都存在着不同程度的非線性。
最後，系統各個環節所受到的干擾、特性的變化也都是的控制特性不再滿足“時不變”。比如在輸出PWM中的量化噪聲、電池電壓波動對電機驅動電壓的影響、電機溫度改變電樞的電抗、定子磁場的不均勻影響輸出力矩、賽道表面阻力的突變、坡道起伏等等。這些都會使得控制對象特性隨着時間、空間的變化而發生改變。
如果僅僅使用最外環總的位置反饋控制，對象各個環節中的這些缺陷就會使得系統變得岌岌可危，控制的精度、可靠性大大降低。
局部的反饋改善各個環節的特性
怎麼改善上面控制中遇到的這些尷尬場景呢？那就在各個環節中引入局部的反饋控制，從而形成整體的串級控制。
比如，對於電機轉子電流引入反饋控制，使得電機電流不再隨着轉子角速度的變化而變化，從而將其內部的反向耦合關係進行解耦，使得電機速度單想取決於電流指令，也就是電機轉矩的大小，形成簡單的因果關係。
通過電流反饋還可以消除電機驅動板的死區和飽和帶來的非線性、電池電壓波動等隨着時間變化的不確定性，從而將這些環節變成前面理想的控制特性。
對於車輪轉速引入速度反饋控制可以改善電機傳動過程中的死區、阻力所帶來的影響，同時對於賽道元素變化所產生的影響也進行消除。爲後面的位置控制奠定很好的基礎。
下圖顯示了三輪車模控制中，包括有電流環、速度環、位置環的串級PID控制的模式。
三級串級PID控制框圖
引入局部的反饋控制，將控制中各個環節存在的缺陷（非因果的耦合、非線性、隨機性）去掉，所帶來的控制好處多多。但爲了實現串級控制，則系統中需要增加額外的檢測傳感器（電流傳感器、速度傳感器），控制軟件需要額外增加控制流程，增加了單片機計算負擔。
但隨着單片機性能的提高、資源的豐富、傳感器成本降低，這一切都不是事兒。
唯一是事兒的就是那顆容不得缺陷存在，一直追求完美的心。這種心靈是不會讓車模裸奔的。也許，在往屆比賽中，車模裸奔也不是事。可今年（第十四屆）的比賽情況就發生的質的變化。由於賽道中存在着橫斷路障、斷路區等元素，使得車模在運行中不可能總能檢測到賽道導引信號，需要在橫斷路障附件進行位置開環運行，也就是車模在無賽道導引信號的情況下，精確完成固定的繞行動作。如果此時，
車模是裸奔的話，那麼任何外部環境的變化都會使得車模死的很慘。
本文僅僅說明了在車模控制中爲什麼引入串級PID控制，對於如何實現串級控制、需要注意的事項、還有其他什麼控制方法則需要參賽同學們自行探索。當然，如果希望能夠在控制理論上進一步提高，可以繼續關注下學期開始之後，競賽組委會提供的競賽輔導課程。
