今天通過(guò)圖文的形式給大家講解什么是PID？PID各個(gè)參數(shù)有什么作用？哪些場(chǎng)合會(huì)用到PID？快來(lái)一起學(xué)習(xí)一下吧！

? 1、啥是PID？
? PID，就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）”，是一種很常見(jiàn)的控制算法。
? PID已經(jīng)有107年的歷史了，它并不是什么很神圣的東西，大家一定都見(jiàn)過(guò)PID的實(shí)際應(yīng)用。
? 比如四軸飛行器，再比如平衡小車......還有汽車的定速巡航、3D打印機(jī)上的溫度控制器....
? 就是類似于這種：需要將某一個(gè)物理量“保持穩(wěn)定”的場(chǎng)合（比如維持平衡，穩(wěn)定溫度、轉(zhuǎn)速等），PID都會(huì)派上大用場(chǎng)。
? 那么問(wèn)題來(lái)了：
? 比如，我想控制一個(gè)“熱得快”，讓一鍋水的溫度保持在50℃，這么簡(jiǎn)單的任務(wù)，為啥要用到微積分的理論呢。
? 你一定在想：
? 這不是so easy嘛~ 小于50度就讓它加熱，大于50度就斷電，不就行了？幾行代碼用Arduino分分鐘寫出來(lái)。
? 沒(méi)錯(cuò)~在要求不高的情況下，確實(shí)可以這么干~ But！如果換一種說(shuō)法，你就知道問(wèn)題出在哪里了：
? 如果我的控制對(duì)象是一輛汽車呢？
? 要是希望汽車的車速保持在50km/h不動(dòng)，你還敢這樣干么。
? 設(shè)想一下，假如汽車的定速巡航電腦在某一時(shí)間測(cè)到車速是45km/h。它立刻命令發(fā)動(dòng)機(jī)：加速！
? 結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)那邊突然來(lái)了個(gè)100%全油門，嗡的一下，汽車急加速到了60km/h。
? 這時(shí)電腦又發(fā)出命令：剎車！
? 結(jié)果，吱...............哇............(乘客吐)
? 所以，在大多數(shù)場(chǎng)合中，用“開(kāi)關(guān)量”來(lái)控制一個(gè)物理量，就顯得比較簡(jiǎn)單粗暴了。有時(shí)候，是無(wú)法保持穩(wěn)定的。因?yàn)?a target="_blank">單片機(jī)、傳感器不是無(wú)限快的，采集、控制需要時(shí)間。
? 而且，控制對(duì)象具有慣性。比如你將一個(gè)加熱器拔掉，它的“余熱”（即熱慣性）可能還會(huì)使水溫繼續(xù)升高一小會(huì)。

02?三個(gè)控制環(huán)節(jié)的作用

? 我們先只說(shuō)PID控制器的三個(gè)最基本的參數(shù)：kP,kI,kD。
? 1）kP的作用
? P就是比例的意思。它的作用最明顯，原理也最簡(jiǎn)單。我們先說(shuō)這個(gè)：
? 需要控制的量，比如水溫，有它現(xiàn)在的『當(dāng)前值』，也有我們期望的『目標(biāo)值』。
? 當(dāng)兩者差距不大時(shí)，就讓加熱器“輕輕地”加熱一下。
? 要是因?yàn)槟承┰?，溫度降低了很多，就讓加熱器“稍稍用力”加熱一下?br /> ? 要是當(dāng)前溫度比目標(biāo)溫度低得多，就讓加熱器“開(kāi)足馬力”加熱，盡快讓水溫到達(dá)目標(biāo)附近。


? 這就是P的作用，跟開(kāi)關(guān)控制方法相比，是不是“溫文爾雅”了很多
? 實(shí)際寫程序時(shí)，就讓偏差（目標(biāo)減去當(dāng)前）與調(diào)節(jié)裝置的“調(diào)節(jié)力度”，建立一個(gè)一次函數(shù)的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)最基本的“比例”控制了~
? kP越大，調(diào)節(jié)作用越激進(jìn)，kP調(diào)小會(huì)讓調(diào)節(jié)作用更保守。
? 要是你正在制作一個(gè)平衡車，有了P的作用，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，平衡車在平衡角度附近來(lái)回“狂抖”，比較難穩(wěn)住。
? 如果已經(jīng)到了這一步——恭喜你！離成功只差一小步了~
? 2）kD的作用
? D的作用更好理解一些，所以先說(shuō)說(shuō)D，最后說(shuō)I。
? 剛才我們有了P的作用。你不難發(fā)現(xiàn)，只有P好像不能讓平衡車站起來(lái)，水溫也控制得晃晃悠悠，好像整個(gè)系統(tǒng)不是特別穩(wěn)定，總是在“抖動(dòng)”。 ?

? 你心里設(shè)想一個(gè)彈簧：現(xiàn)在在平衡位置上。拉它一下，然后松手。這時(shí)它會(huì)震蕩起來(lái)。因?yàn)樽枇苄。赡軙?huì)震蕩很長(zhǎng)時(shí)間，才會(huì)重新停在平衡位置。
? 請(qǐng)想象一下：要是把上圖所示的系統(tǒng)浸沒(méi)在水里，同樣拉它一下 ：這種情況下，重新停在平衡位置的時(shí)間就短得多。
? 我們需要一個(gè)控制作用，讓被控制的物理量的“變化速度”趨于0，即類似于“阻尼”的作用。
? 因?yàn)?，?dāng)比較接近目標(biāo)時(shí)，P的控制作用就比較小了。越接近目標(biāo)，P的作用越溫柔。有很多內(nèi)在的或者外部的因素，使控制量發(fā)生小范圍的擺動(dòng)。 D的作用就是讓物理量的速度趨于0，只要什么時(shí)候，這個(gè)量具有了速度，D就向相反的方向用力，盡力剎住這個(gè)變化。
? kD參數(shù)越大，向速度相反方向剎車的力道就越強(qiáng)。
? 如果是平衡小車，加上P和D兩種控制作用，如果參數(shù)調(diào)節(jié)合適，它應(yīng)該可以站起來(lái)了~歡呼吧。
? 等等，PID三兄弟好像還有一位?？雌饋?lái)PD就可以讓物理量保持穩(wěn)定，那還要I干嘛？
? 因?yàn)槲覀兒鲆暳艘环N重要的情況：
? 3）kI的作用
? 還是以熱水為例。假如有個(gè)人把我們的加熱裝置帶到了非常冷的地方，開(kāi)始燒水了。需要燒到50℃。
? 在P的作用下，水溫慢慢升高。直到升高到45℃時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不好的事情：天氣太冷，水散熱的速度，和P控制的加熱的速度相等了。
? 這可怎么辦？ P兄這樣想：我和目標(biāo)已經(jīng)很近了，只需要輕輕加熱就可以了。
? D兄這樣想：加熱和散熱相等，溫度沒(méi)有波動(dòng)，我好像不用調(diào)整什么。
? 于是，水溫永遠(yuǎn)地停留在45℃，永遠(yuǎn)到不了50℃。
? 作為一個(gè)人，根據(jù)常識(shí)，我們知道，應(yīng)該進(jìn)一步增加加熱的功率?？墒窃黾佣嗌僭撊绾斡?jì)算呢？
? 前輩科學(xué)家們想到的方法是真的巧妙。
? 設(shè)置一個(gè)積分量。只要偏差存在，就不斷地對(duì)偏差進(jìn)行積分（累加），并反應(yīng)在調(diào)節(jié)力度上。
? 這樣一來(lái)，即使45℃和50℃相差不太大，但是隨著時(shí)間的推移，只要沒(méi)達(dá)到目標(biāo)溫度，這個(gè)積分量就不斷增加。系統(tǒng)就會(huì)慢慢意識(shí)到：還沒(méi)有到達(dá)目標(biāo)溫度，該增加功率啦！
? 到了目標(biāo)溫度后，假設(shè)溫度沒(méi)有波動(dòng)，積分值就不會(huì)再變動(dòng)。這時(shí)，加熱功率仍然等于散熱功率。但是，溫度是穩(wěn)穩(wěn)的50℃。
? kI的值越大，積分時(shí)乘的系數(shù)就越大，積分效果越明顯。
? 所以，I的作用就是，減小靜態(tài)情況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標(biāo)值。
? I在使用時(shí)還有個(gè)問(wèn)題：需要設(shè)定積分限制。防止在剛開(kāi)始加熱時(shí)，就把積分量積得太大，難以控制。
? 03 PID整定口訣
? ? 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查； 先是比例后積分，最后再把微分加； 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大； 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳； 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降； 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)； 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)； 理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1； 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。
? 個(gè)人認(rèn)為PID參數(shù)的設(shè)置的大小，一方面是要根據(jù)控制對(duì)象的具體情況而定；另一方面是經(jīng)驗(yàn)。P是解決幅值震蕩，P大了會(huì)出現(xiàn)幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)；I是解決動(dòng)作響應(yīng)的速度快慢的，I大了響應(yīng)速度慢，反之則快；D是消除靜態(tài)誤差的，一般D設(shè)置都比較小，而且對(duì)系統(tǒng)影響比較小。
? ? 04 PID參數(shù)怎樣調(diào)整最佳
? 1）整定比例控制
? 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。
? 2）整定積分環(huán)節(jié)
? 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。
? 先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。
? 3）整定微分環(huán)節(jié)
? 若經(jīng)過(guò)步驟2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。
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審核編輯：黃飛

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