PID算法原理介紹
01 先來徹底搞懂PID到底是啥？
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202311/453386.htmPID，就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（differential）”，是一種很常見的控制算法。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。
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！如果換一種應用場景，你就發現有問題了：如果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。
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。
這時，就需要一種『算法』：
· 它可以將需要控制的物理量帶到目標附近
· 它可以“預見”這個量的變化趨勢
· 它也可以消除因為散熱、阻力等因素造成的靜態誤差
· ....
于是，當時的數學家們發明了這一歷久不衰的算法 —— 這就是PID。你應該已經知道了，P,I,D是三種不同的調節作用，既可以單獨使用（P,I,D），也可以兩個兩個用（PI,PD），也可以三個一起用（PID）。這三種作用有什么區別呢？
我們先只說PID控制器的三個最基本的參數：kP,kI,kD。
kP
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，離成功只差一小步了。
kD
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。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。
kI
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。
02 PID到底怎么調？
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，前高后低四比一
一看二調多分析，調節質量不會低
若要反應增快，增大P減小I
若要反應減慢，減小P增大I
如果比例太大，會引起系統震蕩
如果積分太大，會引起系統遲鈍
評論