什么是PID？PID各個參數有什么作用？

今天通過圖文的形式給大家講解什么是PID？PID各個參數有什么作用？哪些場合會用到PID？快來一起學習一下吧！

? 1、啥是PID？
? PID，就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）”，是一種很常見的控制算法。
? PID已經有107年的歷史了，它并不是什么很神圣的東西，大家一定都見過PID的實際應用。
? 比如四軸飛行器，再比如平衡小車......還有汽車的定速巡航、3D打印機上的溫度控制器....
? 就是類似于這種：需要將某一個物理量“保持穩定”的場合（比如維持平衡，穩定溫度、轉速等），PID都會派上大用場。
? 那么問題來了：
? 比如，我想控制一個“熱得快”，讓一鍋水的溫度保持在50℃，這么簡單的任務，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。
? 沒錯~在要求不高的情況下，確實可以這么干~ But！如果換一種說法，你就知道問題出在哪里了：
? 如果我的控制對象是一輛汽車呢？
? 要是希望汽車的車速保持在50km/h不動，你還敢這樣干么。
? 設想一下，假如汽車的定速巡航電腦在某一時間測到車速是45km/h。它立刻命令發動機：加速！
? 結果，發動機那邊突然來了個100%全油門，嗡的一下，汽車急加速到了60km/h。
? 這時電腦又發出命令：剎車！
? 結果，吱...............哇............(乘客吐)
? 所以，在大多數場合中，用“開關量”來控制一個物理量，就顯得比較簡單粗暴了。有時候，是無法保持穩定的。因為單片機、傳感器不是無限快的，采集、控制需要時間。
? 而且，控制對象具有慣性。比如你將一個加熱器拔掉，它的“余熱”（即熱慣性）可能還會使水溫繼續升高一小會。

02?三個控制環節的作用

? 我們先只說PID控制器的三個最基本的參數：kP,kI,kD。
? 1）kP的作用
? P就是比例的意思。它的作用最明顯，原理也最簡單。我們先說這個：
? 需要控制的量，比如水溫，有它現在的『當前值』，也有我們期望的『目標值』。
? 當兩者差距不大時，就讓加熱器“輕輕地”加熱一下。
? 要是因為某些原因，溫度降低了很多，就讓加熱器“稍稍用力”加熱一下。
? 要是當前溫度比目標溫度低得多，就讓加熱器“開足馬力”加熱，盡快讓水溫到達目標附近。


? 這就是P的作用，跟開關控制方法相比，是不是“溫文爾雅”了很多
? 實際寫程序時，就讓偏差（目標減去當前）與調節裝置的“調節力度”，建立一個一次函數的關系，就可以實現最基本的“比例”控制了~
? kP越大，調節作用越激進，kP調小會讓調節作用更保守。
? 要是你正在制作一個平衡車，有了P的作用，你會發現，平衡車在平衡角度附近來回“狂抖”，比較難穩住。
? 如果已經到了這一步——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，所以先說說D，最后說I。
? 剛才我們有了P的作用。你不難發現，只有P好像不能讓平衡車站起來，水溫也控制得晃晃悠悠，好像整個系統不是特別穩定，總是在“抖動”。 ?

? 你心里設想一個彈簧：現在在平衡位置上。拉它一下，然后松手。這時它會震蕩起來。因為阻力很小，它可能會震蕩很長時間，才會重新停在平衡位置。
? 請想象一下：要是把上圖所示的系統浸沒在水里，同樣拉它一下 ：這種情況下，重新停在平衡位置的時間就短得多。
? 我們需要一個控制作用，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。
? 因為，當比較接近目標時，P的控制作用就比較小了。越接近目標，P的作用越溫柔。有很多內在的或者外部的因素，使控制量發生小范圍的擺動。 D的作用就是讓物理量的速度趨于0，只要什么時候，這個量具有了速度，D就向相反的方向用力，盡力剎住這個變化。
? kD參數越大，向速度相反方向剎車的力道就越強。
? 如果是平衡小車，加上P和D兩種控制作用，如果參數調節合適，它應該可以站起來了~歡呼吧。
? 等等，PID三兄弟好像還有一位?？雌饋鞵D就可以讓物理量保持穩定，那還要I干嘛？
? 因為我們忽視了一種重要的情況：
? 3）kI的作用
? 還是以熱水為例。假如有個人把我們的加熱裝置帶到了非常冷的地方，開始燒水了。需要燒到50℃。
? 在P的作用下，水溫慢慢升高。直到升高到45℃時，他發現了一個不好的事情：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：我和目標已經很近了，只需要輕輕加熱就可以了。
? D兄這樣想：加熱和散熱相等，溫度沒有波動，我好像不用調整什么。
? 于是，水溫永遠地停留在45℃，永遠到不了50℃。
? 作為一個人，根據常識，我們知道，應該進一步增加加熱的功率?？墒窃黾佣嗌僭撊绾斡嬎隳?？
? 前輩科學家們想到的方法是真的巧妙。
? 設置一個積分量。只要偏差存在，就不斷地對偏差進行積分（累加），并反應在調節力度上。
? 這樣一來，即使45℃和50℃相差不太大，但是隨著時間的推移，只要沒達到目標溫度，這個積分量就不斷增加。系統就會慢慢意識到：還沒有到達目標溫度，該增加功率啦！
? 到了目標溫度后，假設溫度沒有波動，積分值就不會再變動。這時，加熱功率仍然等于散熱功率。但是，溫度是穩穩的50℃。
? kI的值越大，積分時乘的系數就越大，積分效果越明顯。
? 所以，I的作用就是，減小靜態情況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標值。
? I在使用時還有個問題：需要設定積分限制。防止在剛開始加熱時，就把積分量積得太大，難以控制。
? 03 PID整定口訣
? ? 參數整定找最佳，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； 曲線偏離回復慢，積分時間往下降； 曲線波動周期長，積分時間再加長； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來； 動差大來波動慢，微分時間應加長； 理想曲線兩個波，前高后低4比1； 一看二調多分析，調節質量不會低。
? 個人認為PID參數的設置的大小，一方面是要根據控制對象的具體情況而定；另一方面是經驗。P是解決幅值震蕩，P大了會出現幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統達到穩定時間長；I是解決動作響應的速度快慢的，I大了響應速度慢，反之則快；D是消除靜態誤差的，一般D設置都比較小，而且對系統影響比較小。
? ? 04 PID參數怎樣調整最佳
? 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，直至得到反應快、超調小的響應曲線。
? 2）整定積分環節
? 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。
? 先將步驟1）中選擇的比例系數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。
? 3）整定微分環節
? 若經過步驟2），PI控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。
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審核編輯：黃飛

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