PID控制算法在视频跟踪系统中的实现
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Ｋｐ＿谨壬Ｋ＝２Ｌ’Ｋｄ＝告
另外，对于ＰＩＤ参数的选取并不一定依赖于受控对象的数 学模型。工程上，ＰＩＤ控制器的参数很多是通过实验来确定的， 比如通过试凑法或者经验公式来确定。
参数整定的主要任务除了确定Ｋｏ、Ｋ、Ｋｄ外，还要确定另外 一个重要参数——采样周期Ｔ。在使用离散化ＰＩＤ算法的系统 中，采样周期Ｔ的选择与系统的稳定性密切相关。但Ｔ的选取又 是一个比较困难韵问题，因为一方面要满足香农公式，即∞。≥ ２∞。，然而实际系统输入和反馈的最大频率∞。都难以测定； 另一方面从闭环系统对给定信号的跟踪和抑制系统扰动方面考 虑，Ｔ应该取得较小些，但从系统成本和元件要求来看，Ｔ则应该
２００１（６）：２３ ［５］席爱民．计算机控制系统【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００４ ［６］肖英奎，尚涛，陈殿生．伺服系统实用技术［Ｍ】．北京：化学工业出版
社，２００４ ［收稿日期：２００６．１０．３１］
PID控制算法在视频跟踪系统中的实现
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
Ａｂｓｔｒ￡Ｉｃｔ Ｉｎ ｌｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｉｌ ｉｓ ｉｎｔｒＯｄｕｃｅｄ ｔｈａｔ ｈＯｗ ｌＯ ｒｅａＩｉｚｅ ｔｈｅ ＰＩＤ ａ１９０ｒｉｔｈｍ Ｏｆ ｐＯｓｉｔｉＯｎ ｍｏｄｅ ｉｎ ＶｌｄｅＯ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． ＣｏｎｔｒｏＩ ｐ ｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｒｅａＩｉｚａｔｉＯｎ ｐｒＯｃｅｓｓ Ｏｆ ｔｈｅ ＰＩＤ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ ａｒｅ ａｌｓＯ ｅｘｐｌａ｝ｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃＯｎｌｒＯＩ ｐｒＯｃｅｓｓ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｌｅｒｓ ｓｅＩｅｃｌｉＯｎ Ｏｆ ＰｌＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｉｎｌｒｏｄｕｃｅｄ ｐａｒｔｉｃｕＩａｒＩｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ＶｉｄｅＯ ｆｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ。ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｌ ｃａｎ ｒｅｃＯｇｎｉｚｅ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｃＯｒｒｅｃｔＩｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋＩｙ ｏｒ ｎｏｔ ｄｅｐｅｎｄｓ Ｏｎ ｗｈｅｔｈｅｒ ＣＣＤ ｃａｎ ｆＩｘ Ｏｎ ｌｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐｒｏＶｉｄｅ ａ ｇＯＯｄ ｉｍａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｌ ｆＯｒ ｔｈｅ ｗｈＯＩｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎｔｒＯｄｕｃｅｄ ｌＯ ｃＯｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ＣＣＤ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃＩｅ ｈａｓ ａＩｒｅａｄｙ ｂｅｅｎ ｌｅｓｔｅｄ ｉｎ ｌｈｅ ｒｅａＩ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｔｅｓｌ ｓａｙｓ ｔｈａｔ ｌｈｅ ＰＩＤ ｃＯｎｌｒＯＩ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｂＩｅ ｌＯ ｒｅｓＯＩＶｅ ｔｈｅ ＯＶｅｒ—ｔｕｍ ｐｒｏｂＩｅｍｓ ０ｆ ｔｈｅ ＣＣＤ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｏ ＩＯｎｇ ａｓ ｔｈｅ ＰＪＤ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｅＩｅｃｔｅｄ ｐｒＯｐｅｒＩｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｌｓ０ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰｌＤ ａｌｇＯｒｉｔｈｍ ｕｓｉｎｇ ｌｎ ｔｈｉｓ ＶｉｄｅＯ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅｅｌ ｌｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ—ｆｊｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，Ｖｅｒａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉＩｉｔｙ．
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张玲， 周继光， 何伟 重庆大学通信工程学院,重庆,400030
工业控制计算机 INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER 2007，20(7) 0次
参考文献(6条) 1.姚海根.石利琴 计算机图形学应用 2002 2.李方慧.王飞.何佩琨 TMS320C6000系列DSPs原理与应用 2003
？………………’……一！
，￣ｐ鞭煺撇
图１ 视频跟踪系统的组成框图 整个视频跟踪系统如图１所示，云台控制部分是其中的一 个重要组成部分。基于ＤＳＰ的跟踪主控系统通过串口控制云 台，云台中的绝对位置编码器可以随时记录当前它所处的位置。 系统通过ＤＳＰ处理系统的数字Ｉ／Ｏ回读绝对位置编码器的值， 得到了云台的位置信息，即通过绝对位置编码器提供反馈信号， 组成了一个闭环系统。 同时上位机将目标的位置信息以数据 帧的形式发送给ＤＳＰ主控系统，再由主控系统向交流伺服驱动 器发送控制指令，云台根据驱动器发送过来的指令分别进行水
由于积分控制在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会 引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服系统的运行来说是 不利的，因此，宜采用积分分离ＰＩＤ控制来减小积分校正对控制 系统动态性能的影响。
积分分离ＰＩＤ控制算法需设定积分分离阈值８，在视频跟 踪系统中，当ｌｅ（ｋ）Ｉ＞８时，即云台当前位置与目标位置间的差值 ｅ（ｋ）较大时，采用ＰＤ控制，以减少超调量，使系统有较快响应； 当ｌｅ（ｋ）ｌ≤８时，即差值较小时，则采用ＰｌＤ控制，以保证云台能 够精确到位。
△ＬＫｋ）＝ＫＤ［ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一７）］＋Ｋ』ｅ（ｋ）十Ｋ［ｅ（ｋ）一２ｅ（ｋ一７）十ｏ（ｋ一２）］ 如果令△ｅ（ｋ）＝ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一１），则上面的增量式ＰｌＤ算式 可以改写为： △Ｕ（』（）＝Ｋ△ｅ（＿ｆ（）＋Ｋｅ（ｋ）十ｆ（ｄ［△ｅ（詹）一△ｅ（』（一７）］ 本文介绍的视频跟踪系统采用的是离散化的ＰｌＤ控制算 法，即系统的控制量是ｅ（ｋ），输出量是Ｕ（ｋ）。 ３ ＰｌＤ控制算法的流程及参数的确定 图２所示的是视频跟踪系 统中离散化的积分分离的ＰＩＤ 控制算法的流程图： 系统中由ＤＳＰ主控系统负 责对三个控制参数Ｋ。、Ｋ、Ｋｄ进 行选择，使其符合控制系统的要 求，该过程也称参数整定。比例 系数Ｋ。增大，使伺服驱动系统 的动作灵敏、响应加快，有利于 提高系统实时性，但过大会引起 振荡，调节时间加长；积分系数 Ｋ增大，能消除系统稳态误差， 但稳定性有所下降；微分系数 Ｋｄ可以改善系统动态特性，使 超调量减少，调整时间缩短。参 数选择的方法有扩充临界比例 度法、扩充响应曲线法和归一参 数整定法等，它们都源于 ＺｉｅｇＩｅｒ＿Ｎｉｃｈｏｌｓ规则，通常可 认为交流伺服系统的模型为
图２积分分离的ＰＩＤ控制算法流程图 一阶带有延迟环节的模型 （带滞后的一阶环节）：
Ｇ（ｓ）＝斋广
式中的一阶响应特征参数Ｋ、Ｌ和Ｔ可以由其Ｓ型响应曲 线得出。求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统输 入特殊激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。可由 ＺｉｅｇＩｅｒ－ＮｉｃｈｏＩｓ整定规则得到：
《工业控制计算机》２００７年２０卷第７期
ຫໍສະໝຸດ Baidu
１５
Ｐ Ｉ Ｄ控制算法在视频跟踪系统中的实现
ＲｅａｌｉｚａｔｉＯｎ Ｏｆ ＰＩＤ ＣＯｎｔｒＯＩ ＡＩｇＯｒｉｔｈｍ ｉｎ ＶｉｄｅＯ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
张 玲 周继光 何伟 （重庆大学通信工程学院，重庆４０００３０）
摘要 提出了视频跟踪系统中利用ＰＩＤ算法控制云台的实现方法，并分析了该算法的控制原理和实现过程，阐述了其控制流 程及其参数的确定。在视频跟踪系统中，系统能否准确识别、及时锁定并实时跟踪目标的前提在于ＣＣＤ能否准确及时地摄 入目标，从而为系统提供良好的目标图像源。提出的云台控制方法经过实际系统测试表明，只要选择合理的ＰＩＤ参数，就能 克服云台在高速旋转过程中产生的过冲和抖动现象，使云台在视频跟踪过程中准确到位，以满足整个视频跟踪系统的实时 性、准确性和稳定性的要求。 关键词：ＰｌＤ算法，视频跟踪，识别，实时
万方数据
取得稍大一些。正是由于采样周期没有一个精确的计算公式，所 以只能根据工程需要凭经验规则选取，对于机电控制系统，通常 为几十毫秒，本文介绍的视频跟踪系统采样周期Ｔ＝２０ｍｓ。 ４结果分析
图３中（ａ）和（ｂ）分别表示离散的Ｐ ＪＤ控制算法在系统中 使用前后，云台运动轨迹的抽样效果曲线。从图中可以看出，在 没有用ＰＩＤ控制算法时，云台虽然也能从高速状态迅速减速，但 在到达目标位置后并没有停止，而是产生了一段过冲距离，之后 又返回目标位置，即云台在到达目标位置时出现了反复抖动的 过程，这将严重影响系统的跟踪效果；而从图２（ｂ）分析，通过 ＰＩＤ控制算法，云台能够迅速平稳地减速，且到达目标位置时没 有产生过冲和反复抖动现象。
万方数据
平和俯仰方向的旋转。云台必须快速而且平稳准确地转到目标 位置，这不仅是视频跟踪系统实时性的要求，也是整个系统性能 稳定的关键所在。文中所提出的方法就是解决如何使云台在高 速旋转的同时又能准确停驻在目标位置，避免出现抖动和过冲 现象。 ２ ＰＩＤ控制算法
针对视频跟踪系统中控制对象的特点，用ＰＩＤ算法进行控 制调节更易达到预期的效果。
3.罗慧.尹泉 基于PC机的交流传动控制算法开发平台设计[期刊论文]-电气自动化 2001(04) 4.董谦.谢剑英 运动控制系统中PID调节器设计[期刊论文]-电气自动化 2001(06)
5.席爱民 计算机控制系统 2004 6.肖英奎.尚涛.陈殿生 伺服系统实用技术 2004
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gykzjsj200707008.aspx 授权使用：湖北民族学院(hbmzxy)，授权号：27bf2cfe-61db-450f-94c4-9e1300f3ca61
参考文献 ［１］姚海根，石利琴．计算机图形学应用【Ｍ】．北京：科学出版社，２００２ ［２］李方慧，王飞，何佩琨．ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列ＤＳＰｓ原理与应用【Ｍ】．２
版．北京：电子工业出版社，２００３ ［３］罗慧，尹泉．基于ＰＣ机的交流传动控制算法开发平台设计【Ｊ】．电气
自动化，２００１（４）：１９ ［４］董谦，谢剑荚．运动控制系统中ＰＩＤ调节器设计【Ｊ】．电气自动化，
图３云台运动轨迹抽样曲线比较 ５结束语
对一个稳定性和实时性要求较高的视频跟踪系统来说，云 台能否快速、平稳、准确到位，直接关系到系统能否正常工作。笔 者对整个视频跟踪系统进行了深入分析，并结合该系统自身的 控制特性，成功地将积分分离的离散式ＰｌＤ控制算法运用到了 该系统中。实践证明，该ＰＩＤ控制算法的应用，配以相应的图像 处理算法，使整个视频跟踪系统的准确性、稳定性和实时性均达 到了预期的设计要求。
Ｋｅｙｗ０一ｓ：ＰＩＤ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ，ＶＩｄｅ０ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｒｅｃＯｇｎｉｚｅ，ｒｅａｌ—ｌｉｍｅ
近年来随着图像处理技术和一些相关领域技术（如人工智 能、模式识别等）的日趋成熟，大大推动了目标识别和跟踪技术 的发展，现在这些技术已经在诸多军用和民用产品中被广泛应 用。就一个视频跟踪系统而言，要求它必须能够准确识别、及时 锁定并实时跟踪目标，而这些工作的前提在于ＣＣＤ能够准确及 时地摄入目标图像，为系统提供良好的目标图像源。如果云台能 够按照系统的指令准确到位，那么目标恰好会落在ＣＣＤ视场的 中心区域，这样对后续的一系列图像处理工作提供了很好的保 证。 １ 视频跟踪系统的组成
１６
ＰＩＤ控制算法在视频跟踪系统中的实现
离散化的ＰＩＤ控制算式为： 三
ｕ（七）＝Ｋｅ（ｋ）＋，（『乞ｅ（『）＋，＜ｊ［ｅ（七）一ｅ（ｋ一７）］ ，－Ｏ
其中，ｋ为采样序号，ｋ＝Ｏ，１，２…，ＫＤ、Ｋ、Ｋｄ分别表示比例、 积分、微分控制的参数。如果采用ＰＤ控制时，直接令Ｋｉ－Ｏ即 可。在实际工程应用中，系统需要的往往是控制量的增量，根据 递推原理可得离散化的增量式ＰＩＤ控制算式为：
在ＰｌＤ控制系统中，比例（ＰｒｏｐｏⅢｏｎａｌ）控制能迅速反应误 差，从而减小稳态误差，但它不能消除稳态误差。比例系数过大， 会引起系统的不稳定。积分（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ）控制的作用是，只要系 统有误差存在，积分控制器就不断积累，输出控制量来消除这个 误差。因而，只要有足够的时间，积分控制能完全消除稳态误差， 使系统误差为零。但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使出 现振荡。微分（Ｄ晰ｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）控制可以减小超调量，克服振荡， 使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整 时间，从而改善系统的动态性能。
另外，对于ＰＩＤ参数的选取并不一定依赖于受控对象的数 学模型。工程上，ＰＩＤ控制器的参数很多是通过实验来确定的， 比如通过试凑法或者经验公式来确定。
参数整定的主要任务除了确定Ｋｏ、Ｋ、Ｋｄ外，还要确定另外 一个重要参数——采样周期Ｔ。在使用离散化ＰＩＤ算法的系统 中，采样周期Ｔ的选择与系统的稳定性密切相关。但Ｔ的选取又 是一个比较困难韵问题，因为一方面要满足香农公式，即∞。≥ ２∞。，然而实际系统输入和反馈的最大频率∞。都难以测定； 另一方面从闭环系统对给定信号的跟踪和抑制系统扰动方面考 虑，Ｔ应该取得较小些，但从系统成本和元件要求来看，Ｔ则应该
２００１（６）：２３ ［５］席爱民．计算机控制系统【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００４ ［６］肖英奎，尚涛，陈殿生．伺服系统实用技术［Ｍ】．北京：化学工业出版
社，２００４ ［收稿日期：２００６．１０．３１］
PID控制算法在视频跟踪系统中的实现
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
Ａｂｓｔｒ￡Ｉｃｔ Ｉｎ ｌｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｉｌ ｉｓ ｉｎｔｒＯｄｕｃｅｄ ｔｈａｔ ｈＯｗ ｌＯ ｒｅａＩｉｚｅ ｔｈｅ ＰＩＤ ａ１９０ｒｉｔｈｍ Ｏｆ ｐＯｓｉｔｉＯｎ ｍｏｄｅ ｉｎ ＶｌｄｅＯ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． ＣｏｎｔｒｏＩ ｐ ｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｒｅａＩｉｚａｔｉＯｎ ｐｒＯｃｅｓｓ Ｏｆ ｔｈｅ ＰＩＤ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ ａｒｅ ａｌｓＯ ｅｘｐｌａ｝ｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃＯｎｌｒＯＩ ｐｒＯｃｅｓｓ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｌｅｒｓ ｓｅＩｅｃｌｉＯｎ Ｏｆ ＰｌＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｉｎｌｒｏｄｕｃｅｄ ｐａｒｔｉｃｕＩａｒＩｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ＶｉｄｅＯ ｆｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ。ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｌ ｃａｎ ｒｅｃＯｇｎｉｚｅ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｃＯｒｒｅｃｔＩｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋＩｙ ｏｒ ｎｏｔ ｄｅｐｅｎｄｓ Ｏｎ ｗｈｅｔｈｅｒ ＣＣＤ ｃａｎ ｆＩｘ Ｏｎ ｌｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐｒｏＶｉｄｅ ａ ｇＯＯｄ ｉｍａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｌ ｆＯｒ ｔｈｅ ｗｈＯＩｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎｔｒＯｄｕｃｅｄ ｌＯ ｃＯｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ＣＣＤ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃＩｅ ｈａｓ ａＩｒｅａｄｙ ｂｅｅｎ ｌｅｓｔｅｄ ｉｎ ｌｈｅ ｒｅａＩ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｔｅｓｌ ｓａｙｓ ｔｈａｔ ｌｈｅ ＰＩＤ ｃＯｎｌｒＯＩ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｂＩｅ ｌＯ ｒｅｓＯＩＶｅ ｔｈｅ ＯＶｅｒ—ｔｕｍ ｐｒｏｂＩｅｍｓ ０ｆ ｔｈｅ ＣＣＤ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｏ ＩＯｎｇ ａｓ ｔｈｅ ＰＪＤ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｅＩｅｃｔｅｄ ｐｒＯｐｅｒＩｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｌｓ０ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰｌＤ ａｌｇＯｒｉｔｈｍ ｕｓｉｎｇ ｌｎ ｔｈｉｓ ＶｉｄｅＯ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅｅｌ ｌｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ—ｆｊｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，Ｖｅｒａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉＩｉｔｙ．
下载时间：2010年10月18日
张玲， 周继光， 何伟 重庆大学通信工程学院,重庆,400030
工业控制计算机 INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER 2007，20(7) 0次
参考文献(6条) 1.姚海根.石利琴 计算机图形学应用 2002 2.李方慧.王飞.何佩琨 TMS320C6000系列DSPs原理与应用 2003
？………………’……一！
，￣ｐ鞭煺撇
图１ 视频跟踪系统的组成框图 整个视频跟踪系统如图１所示，云台控制部分是其中的一 个重要组成部分。基于ＤＳＰ的跟踪主控系统通过串口控制云 台，云台中的绝对位置编码器可以随时记录当前它所处的位置。 系统通过ＤＳＰ处理系统的数字Ｉ／Ｏ回读绝对位置编码器的值， 得到了云台的位置信息，即通过绝对位置编码器提供反馈信号， 组成了一个闭环系统。 同时上位机将目标的位置信息以数据 帧的形式发送给ＤＳＰ主控系统，再由主控系统向交流伺服驱动 器发送控制指令，云台根据驱动器发送过来的指令分别进行水
由于积分控制在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会 引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服系统的运行来说是 不利的，因此，宜采用积分分离ＰＩＤ控制来减小积分校正对控制 系统动态性能的影响。
积分分离ＰＩＤ控制算法需设定积分分离阈值８，在视频跟 踪系统中，当ｌｅ（ｋ）Ｉ＞８时，即云台当前位置与目标位置间的差值 ｅ（ｋ）较大时，采用ＰＤ控制，以减少超调量，使系统有较快响应； 当ｌｅ（ｋ）ｌ≤８时，即差值较小时，则采用ＰｌＤ控制，以保证云台能 够精确到位。
△ＬＫｋ）＝ＫＤ［ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一７）］＋Ｋ』ｅ（ｋ）十Ｋ［ｅ（ｋ）一２ｅ（ｋ一７）十ｏ（ｋ一２）］ 如果令△ｅ（ｋ）＝ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一１），则上面的增量式ＰｌＤ算式 可以改写为： △Ｕ（』（）＝Ｋ△ｅ（＿ｆ（）＋Ｋｅ（ｋ）十ｆ（ｄ［△ｅ（詹）一△ｅ（』（一７）］ 本文介绍的视频跟踪系统采用的是离散化的ＰｌＤ控制算 法，即系统的控制量是ｅ（ｋ），输出量是Ｕ（ｋ）。 ３ ＰｌＤ控制算法的流程及参数的确定 图２所示的是视频跟踪系 统中离散化的积分分离的ＰＩＤ 控制算法的流程图： 系统中由ＤＳＰ主控系统负 责对三个控制参数Ｋ。、Ｋ、Ｋｄ进 行选择，使其符合控制系统的要 求，该过程也称参数整定。比例 系数Ｋ。增大，使伺服驱动系统 的动作灵敏、响应加快，有利于 提高系统实时性，但过大会引起 振荡，调节时间加长；积分系数 Ｋ增大，能消除系统稳态误差， 但稳定性有所下降；微分系数 Ｋｄ可以改善系统动态特性，使 超调量减少，调整时间缩短。参 数选择的方法有扩充临界比例 度法、扩充响应曲线法和归一参 数整定法等，它们都源于 ＺｉｅｇＩｅｒ＿Ｎｉｃｈｏｌｓ规则，通常可 认为交流伺服系统的模型为
图２积分分离的ＰＩＤ控制算法流程图 一阶带有延迟环节的模型 （带滞后的一阶环节）：
Ｇ（ｓ）＝斋广
式中的一阶响应特征参数Ｋ、Ｌ和Ｔ可以由其Ｓ型响应曲 线得出。求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统输 入特殊激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。可由 ＺｉｅｇＩｅｒ－ＮｉｃｈｏＩｓ整定规则得到：
《工业控制计算机》２００７年２０卷第７期
ຫໍສະໝຸດ Baidu
１５
Ｐ Ｉ Ｄ控制算法在视频跟踪系统中的实现
ＲｅａｌｉｚａｔｉＯｎ Ｏｆ ＰＩＤ ＣＯｎｔｒＯＩ ＡＩｇＯｒｉｔｈｍ ｉｎ ＶｉｄｅＯ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
张 玲 周继光 何伟 （重庆大学通信工程学院，重庆４０００３０）
摘要 提出了视频跟踪系统中利用ＰＩＤ算法控制云台的实现方法，并分析了该算法的控制原理和实现过程，阐述了其控制流 程及其参数的确定。在视频跟踪系统中，系统能否准确识别、及时锁定并实时跟踪目标的前提在于ＣＣＤ能否准确及时地摄 入目标，从而为系统提供良好的目标图像源。提出的云台控制方法经过实际系统测试表明，只要选择合理的ＰＩＤ参数，就能 克服云台在高速旋转过程中产生的过冲和抖动现象，使云台在视频跟踪过程中准确到位，以满足整个视频跟踪系统的实时 性、准确性和稳定性的要求。 关键词：ＰｌＤ算法，视频跟踪，识别，实时
万方数据
取得稍大一些。正是由于采样周期没有一个精确的计算公式，所 以只能根据工程需要凭经验规则选取，对于机电控制系统，通常 为几十毫秒，本文介绍的视频跟踪系统采样周期Ｔ＝２０ｍｓ。 ４结果分析
图３中（ａ）和（ｂ）分别表示离散的Ｐ ＪＤ控制算法在系统中 使用前后，云台运动轨迹的抽样效果曲线。从图中可以看出，在 没有用ＰＩＤ控制算法时，云台虽然也能从高速状态迅速减速，但 在到达目标位置后并没有停止，而是产生了一段过冲距离，之后 又返回目标位置，即云台在到达目标位置时出现了反复抖动的 过程，这将严重影响系统的跟踪效果；而从图２（ｂ）分析，通过 ＰＩＤ控制算法，云台能够迅速平稳地减速，且到达目标位置时没 有产生过冲和反复抖动现象。
万方数据
平和俯仰方向的旋转。云台必须快速而且平稳准确地转到目标 位置，这不仅是视频跟踪系统实时性的要求，也是整个系统性能 稳定的关键所在。文中所提出的方法就是解决如何使云台在高 速旋转的同时又能准确停驻在目标位置，避免出现抖动和过冲 现象。 ２ ＰＩＤ控制算法
针对视频跟踪系统中控制对象的特点，用ＰＩＤ算法进行控 制调节更易达到预期的效果。
3.罗慧.尹泉 基于PC机的交流传动控制算法开发平台设计[期刊论文]-电气自动化 2001(04) 4.董谦.谢剑英 运动控制系统中PID调节器设计[期刊论文]-电气自动化 2001(06)
5.席爱民 计算机控制系统 2004 6.肖英奎.尚涛.陈殿生 伺服系统实用技术 2004
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gykzjsj200707008.aspx 授权使用：湖北民族学院(hbmzxy)，授权号：27bf2cfe-61db-450f-94c4-9e1300f3ca61
参考文献 ［１］姚海根，石利琴．计算机图形学应用【Ｍ】．北京：科学出版社，２００２ ［２］李方慧，王飞，何佩琨．ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列ＤＳＰｓ原理与应用【Ｍ】．２
版．北京：电子工业出版社，２００３ ［３］罗慧，尹泉．基于ＰＣ机的交流传动控制算法开发平台设计【Ｊ】．电气
自动化，２００１（４）：１９ ［４］董谦，谢剑荚．运动控制系统中ＰＩＤ调节器设计【Ｊ】．电气自动化，
图３云台运动轨迹抽样曲线比较 ５结束语
对一个稳定性和实时性要求较高的视频跟踪系统来说，云 台能否快速、平稳、准确到位，直接关系到系统能否正常工作。笔 者对整个视频跟踪系统进行了深入分析，并结合该系统自身的 控制特性，成功地将积分分离的离散式ＰｌＤ控制算法运用到了 该系统中。实践证明，该ＰＩＤ控制算法的应用，配以相应的图像 处理算法，使整个视频跟踪系统的准确性、稳定性和实时性均达 到了预期的设计要求。
Ｋｅｙｗ０一ｓ：ＰＩＤ ａＩｇＯｒｉｔｈｍ，ＶＩｄｅ０ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｒｅｃＯｇｎｉｚｅ，ｒｅａｌ—ｌｉｍｅ
近年来随着图像处理技术和一些相关领域技术（如人工智 能、模式识别等）的日趋成熟，大大推动了目标识别和跟踪技术 的发展，现在这些技术已经在诸多军用和民用产品中被广泛应 用。就一个视频跟踪系统而言，要求它必须能够准确识别、及时 锁定并实时跟踪目标，而这些工作的前提在于ＣＣＤ能够准确及 时地摄入目标图像，为系统提供良好的目标图像源。如果云台能 够按照系统的指令准确到位，那么目标恰好会落在ＣＣＤ视场的 中心区域，这样对后续的一系列图像处理工作提供了很好的保 证。 １ 视频跟踪系统的组成
１６
ＰＩＤ控制算法在视频跟踪系统中的实现
离散化的ＰＩＤ控制算式为： 三
ｕ（七）＝Ｋｅ（ｋ）＋，（『乞ｅ（『）＋，＜ｊ［ｅ（七）一ｅ（ｋ一７）］ ，－Ｏ
其中，ｋ为采样序号，ｋ＝Ｏ，１，２…，ＫＤ、Ｋ、Ｋｄ分别表示比例、 积分、微分控制的参数。如果采用ＰＤ控制时，直接令Ｋｉ－Ｏ即 可。在实际工程应用中，系统需要的往往是控制量的增量，根据 递推原理可得离散化的增量式ＰＩＤ控制算式为：
在ＰｌＤ控制系统中，比例（ＰｒｏｐｏⅢｏｎａｌ）控制能迅速反应误 差，从而减小稳态误差，但它不能消除稳态误差。比例系数过大， 会引起系统的不稳定。积分（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ）控制的作用是，只要系 统有误差存在，积分控制器就不断积累，输出控制量来消除这个 误差。因而，只要有足够的时间，积分控制能完全消除稳态误差， 使系统误差为零。但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使出 现振荡。微分（Ｄ晰ｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）控制可以减小超调量，克服振荡， 使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整 时间，从而改善系统的动态性能。