國內pid研究現狀（講個故事告訴你）

2023-05-08 18:23:58 2

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

。

它並不是什麼很神聖的東西，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印表機上的溫度控制器....

就是類似於這種：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。PID應用相關文章，點擊閱讀：應用PID控制，讓機器人學會騎自行車。

那麼問題來了：

比如，我想控制一個「熱得快」，讓一鍋水的溫度保持在50℃，這麼簡單的任務，為啥要用到微積分的理論呢

。關於PID原理，也可以看這篇文章：PID算法原理介紹。

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你一定在想：

這不是so easy嘛~ 小於50度就讓它加熱，大於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，確實可以這麼幹~ But！如果換一種說法，你就知道問題出在哪裡了：

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，你還敢這樣幹麼。

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，採集、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「餘熱」（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』：

於是，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）。

這三種作用有什麼區別呢？客官別急，聽我慢慢道來

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』。

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係，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。

要是你正在製作一個平衡車，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~

kD

D的作用更好理解一些，所以先說說D，最後說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」。

你心裡設想一個彈簧：現在在平衡位置上。拉它一下，然後鬆手。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。

請想像一下：要是把上圖所示的系統浸沒在水裡，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」趨於0，即類似於「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，使控制量發生小範圍的擺動。

D的作用就是讓物理量的速度趨於0，只要什麼時候，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。看起來PD就可以讓物理量保持穩定，那還要I幹嘛？

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。

這可怎麼辦？

於是，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。可是增加多少該如何計算呢？

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），並反應在調節力度上。

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！

到了目標溫度後，假設溫度沒有波動，積分值就不會再變動。這時，加熱功率仍然等於散熱功率。但是，溫度是穩穩的50℃。

kI的值越大，積分時乘的係數就越大，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，讓受控物理量儘可能接近目標值。

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。

原文連結：https://mp.weixin.qq.com/s/iE88qv3SFzAf2NjUGGeuPw

轉載自：STM32嵌入式開發

原文連結：PID到底是個啥？講個故事告訴你

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