(一)首先，彻底了解PID是什么？

PID是什么？

比例积分微分PID是一种非常常用的控制算法。在工程实践中，应用最广泛的调节器控制规律是比例、积分和微分控制，简称PID控制，也称为PID调节。由于其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便，已成为工业控制的主要技术之一。

算法是不能吃的。

PID已有107年的历史。

这不是什么神圣的事情。大家肯定都看到了PID的实际应用。

比如四轴飞行器，平衡车，汽车的巡航控制，3D打印机上的温度控制器。....

和这个差不多:当某个物理量需要“保持稳定”(比如保持平衡、稳定温度、转速等)时，PID就会派上用场。).

那么问题来了:

比如我想控制一个“热快”，保持一壶水的温度在50℃

这么简单的任务为什么要用微积分理论呢？

你一定在想:

没那么容易吧~小于50度就让它升温，大于50度就关电源不是吗？几行代码是用Arduino分钟写的。

没错~要求不高的情况下真的可以这样做~但是！换一种说法，你就知道问题出在哪里了:

如果我的控制对象是一辆车呢？

如果你想让车速保持在50km/h，你敢不敢。

想象一下，如果一辆车的巡航控制电脑在某个时间检测到45km/h的速度。它立刻命令引擎加速！

结果对方发动机突然100%全油门，车突然加速到60 km/h。

这时，电脑再次发出命令:刹车！

结果，吱...............哇............(乘客吐槽)

所以在大多数场合，用“开关量”来控制一个物理量是比较简单粗暴的。有时候，稳定不了。因为单片机和传感器不是无限快，采集和控制需要时间。

而且，被控对象具有惯性。例如，如果你拔掉一个加热器，它的“余热”(即热惯性)可能会进一步提高水温一小会儿。

这个时候，你就需要一个“算法”:

它可以将需要控制的物理量带到目标附近它可以“预见”这个量的变化趋势它也可以消除因为散热、阻力等因素造成的静态误差....

所以，当时的数学家发明了这个经久不衰的算法——这就是PID。

你应该已经知道P，I，D是三个不同的调节函数，可以单独使用(P，I，D)，成对使用(PI，PD)，也可以组合使用(PID)。

这三个功能有什么区别？别担心，先生。慢慢听我说。

我们只说PID控制器最基本的三个参数:KP，KI，KD。

kP

意思是p比。它的作用最明显，原理最简单。先说这个:

所需的量，比如水温，有它当前的“当前值”和我们预期的“目标值”。

当两者差距不大时，就让加热器“轻轻地”加热一下。要是因为某些原因，温度降低了很多，就让加热器“稍稍用力”加热一下。要是当前温度比目标温度低得多，就让加热器“开足马力”加热，尽快让水温到达目标附近。

这就是p的作用，相比开关控制方式，是不是“温柔”了很多？

实际写程序时，让偏差(目标减去电流)和调节装置的“调节力度”建立线性函数关系，就可以实现最基本的“比例”控制了~

kP越大，调控越激进，kP越小，调控越保守。

如果你在做平衡车，用P的功能，你会发现平衡车在平衡角附近来回“狂摇”，很难稳定。

如果已经到了这个地步——恭喜你！离成功只有一小步~

种类（性质）（kind的简写）

d的作用比较好理解，先说d，最后说I。

刚才我们有P的功能。不难发现，只有P无法让平衡站起来，水温控制的晃晃悠悠，好像整个系统都不是特别稳定，一直在“摇晃”。

在你的头脑中想象一个弹簧:现在它处于平衡位置。拉它，然后放开。然后会抖。因为阻力很小，所以可能会振荡很长时间才再次停在平衡位置。

想象一下:如果上图所示的系统浸在水中，也把它拉一下:这样的话，再次停在平衡位置所需的时间会少得多。

我们需要一个控制函数，使被控物理量的“变化速度”趋于零，即类似于“阻尼”的函数。

因为，越靠近目标，P的控制效果越小。越接近目标，P的作用越平缓。有许多内部或外部因素使控制量在小范围内摆动。

D的作用是使物理量的速度趋于零。每当这个量有一个速度，D就会反方向发力，尽力阻止这个变化。

参数kD越大，速度反方向的制动力越强。

如果是平衡小车，再加上P和D两个控制功能，参数调得合适的话，应该能立起来~加油！

等等，三个PID兄弟真的想再要一个。看起来PD可以保持物理量稳定，那为什么还需要I呢？

因为我们忽略了一个重要的情况:

基里巴斯

以热水为例。假设有人把我们的取暖设备拿到一个很冷的地方，开始烧水。需要烧到50℃。

在P的作用下，水温缓慢上升。升到45℃的时候，他发现了一个不好的事情:太冷了，水散的速度和P控加热的速度相当。

我能怎么做呢？

P兄这样想：我和目标已经很近了，只需要轻轻加热就可以了。D兄这样想：加热和散热相等，温度没有波动，我好像不用调整什么。

结果水温永远停留在45℃，永远达不到50℃。

作为一个人，根据常识，我们知道加热功率应该进一步增加。但是怎么算涨幅呢？

前辈科学家想出来的方法真是巧妙。

设置一个积分。只要偏差存在，就会不断整合(积累)并体现在调整力度上。

这样，即使45℃和50℃相差不太大，只要没有达到目标温度，积分也会随着时间增加。系统会慢慢意识到，在达到目标温度之前，是时候加大功率了！

达到目标温度后，假设温度不波动，积分值不会再变化。此时，加热功率仍然等于散热功率。然而，温度稳定在50℃。

kI值越大，积分时间倍增系数越大，积分效果越明显。

因此，I的作用是减少静态下的误差，使被控物理量尽可能接近目标值。

我在使用的时候还有一个问题:你需要设置积分极限。以防止在加热开始时积分过大而难以控制。

(2)我们来看看PID怎么调？

(PID参数调整公式)

找到最佳参数设置，从小到大检查。

先积分比例，再加微分。

曲线震荡频繁，比例带盘需要放大。

曲线围绕大湾浮动，比例带盘转向小盘。

曲线缓慢偏离，积分时间减少。

曲线波动周期越长，积分时间越长。

曲线振荡频率快，先降微分。

差异较大时波动较慢。差分时间应该加长。

理想曲线有两波，前高后低四比一。

一看两次调整，多分析一下，调整质量不会低。

为了加快反应，增加P，减少I。

为了减缓反应，减少P，增加I。

如果比例过大，会造成系统震荡。

如果积分太大，系统会很慢。

来源:网络，侵删

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