Cascaded Control

Detto anche: cascade control, nested-loop control, inner-outer loop control
Categoria: Control › Feedback control
Tag: feedback-control, pid, flight-control, motor-control, control-architecture

Una struttura di controllo con anelli di retroazione annidati, in cui un anello esterno calcola il setpoint per un anello interno più veloce, come posizione sopra assetto sopra velocità angolare del corpo su un drone.

Definizione

Il controllo in cascata (cascaded control) suddivide un problema di controllo in anelli di retroazione annidati. L'anello esterno regola la grandezza lenta che interessa all'utente, come la posizione, e la sua uscita non è un comando per l'attuatore ma un setpoint per un anello interno che regola una grandezza intermedia più veloce, come la velocità, l'assetto o la corrente. Ogni anello deve occuparsi solo di una parte della dinamica, il che rende i controllori più semplici da progettare e tarare, e l'anello interno reietta i disturbi, come una raffica o una coppia di carico, prima che raggiungano la variabile esterna.

La struttura funziona meglio quando l'anello interno è molto più veloce di quello esterno. L'anello esterno può allora trattare quello interno come se inseguisse il proprio setpoint istantaneamente. Una regola pratica comune è rendere ogni anello interno più veloce di diverse volte in banda passante rispetto all'anello che lo circonda, spesso di un fattore compreso tra cinque e dieci circa. Gli anelli si tarano dall'interno verso l'esterno: prima l'anello più interno, poi ciascun anello esterno con quelli interni chiusi. I limiti devono essere passati tra i livelli, per esempio un angolo di inclinazione o una corrente massimi, e gli anelli esterni hanno bisogno di un anti-windup per non continuare a integrare l'errore mentre l'anello interno è in saturazione.

Due esempi sono quasi universali in robotica. Gli azionamenti dei motori elettrici usano un anello di corrente (coppia) dentro un anello di velocità dentro un anello di posizione. I controllori di volo dei multirotori usano un controllore di posizione che fornisce un'accelerazione desiderata, convertita in una spinta totale e in un assetto desiderato; un controllore di assetto fornisce poi i comandi di velocità angolare del corpo; e un controllore di velocità angolare produce coppie che un mixer trasforma in comandi per i singoli motori. Gli anelli esterni possono essere controllori PD, PID o basati su modello, e il livello di posizione viene talvolta sostituito dal controllo predittivo basato su modello mantenendo gli anelli interni di assetto e di velocità angolare. Il limite del controllo in cascata è che ignora l'accoppiamento tra i livelli: manovre aggressive che richiedono prestazioni vicine alla banda passante dell'anello interno, o dinamiche fortemente accoppiate, possono essere gestite meglio da controllori che considerano l'intero sistema nel suo insieme.

Perché è importante

La maggior parte dei droni commerciali, degli azionamenti per motori e molti giunti robotici sono controllati da anelli in cascata, quindi gli ingegneri incontrano questa struttura ogni volta che tarano, eseguono il debug o estendono hardware reale. Capire la separazione delle bande passanti e le interfacce tra gli anelli spiega molti problemi comuni, da un inseguimento della posizione lento a oscillazioni causate da un anello interno tarato male.

Applicazioni principali

Controllori di volo per multirotori con anelli di posizione, assetto e velocità angolare
Azionamenti per servomotori con anelli di corrente, velocità e posizione
Controllo dei giunti di bracci robotici e robot con zampe
Controllo di processo, come la regolazione di temperatura e portata
Combinazione di un anello esterno predittivo basato su modello con anelli interni veloci di inseguimento

In pratica

Su un drone da corsa, il pianificatore di un gruppo invia riferimenti di posizione, velocità e accelerazione. Un anello esterno di posizione PD eseguito a frequenza più bassa calcola un'accelerazione desiderata, aggiunge la gravità e l'accelerazione in feedforward e trasforma il risultato in una spinta collettiva e in una direzione di spinta desiderata. Un anello interno di assetto proporzionale converte l'errore di assetto in comandi di velocità angolare del corpo, che l'anello di velocità angolare del controllore di volo insegue a frequenza molto più alta usando la retroazione del giroscopio. Quando il drone oscilla in hovering, il gruppo ritara prima l'anello di velocità angolare da solo, poi l'anello di assetto e solo dopo i guadagni di posizione, invece di regolare l'anello esterno per compensare un anello interno tarato male.

Idee sbagliate comuni

Qualsiasi controllore può essere impilato in una cascata — la struttura si basa sul fatto che l'anello interno sia molto più veloce; senza questa separazione gli anelli interagiscono e possono diventare instabili
Gli anelli in cascata possono essere tarati in qualsiasi ordine — gli anelli interni vanno tarati per primi, perché il comportamento dell'anello esterno dipende da come risponde quello interno
Il controllo in cascata è superato rispetto al controllo predittivo basato su modello — molti sistemi basati su MPC eseguono ancora anelli interni in cascata per assetto, velocità angolare o corrente, con l'MPC che sostituisce solo il livello esterno

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri di droni e del controllo di volo
Ingegneri del controllo motore e degli azionamenti
Ingegneri robotici che tarano controllori di giunti e di basi mobili
Studenti che imparano il controllo in retroazione nella pratica

Tecnologie correlate

Controllo PID (PID Control)
PX4 Autopilot
Betaflight
Controllo a orientamento di campo (Field-Oriented Control)
Anti-Windup

Open Source Robotics