全面剖析PID控制器

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(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(wěn)定”的場合（比如維持平衡，穩(wěn)定溫度、轉(zhuǎn)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(fā)動機：加速！

結果，發(fā)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(fā)出命令：剎車！

結果，吱。。。。。。。。。。。。。。。哇。。。。。。。。。。。。（乘客吐）

所以，在大多數(shù)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(wěn)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(xù)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(tài)誤差

。。。。

于是，當時的數(shù)學家們發(fā)明了這一歷久不衰的算法——這就是PID。

你應該已經(jīng)知道了，P，I，D是三種不同的調(diào)節(jié)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(qū)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(shù)：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(xiàn)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(diào)節(jié)裝置的“調(diào)節(jié)力度”，建立一個一次函數(shù)的關系，就可以實現(xiàn)最基本的“比例”控制了~

kP越大，調(diào)節(jié)作用越激進，kP調(diào)小會讓調(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)，平衡車在平衡角度附近來回“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~

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(fā)現(xiàn)，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(tǒng)不是特別穩(wěn)定，總是在“抖動”。

你心里設想一個彈簧：現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)在的或者外部的因素，使控制量發(fā)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(shù)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(shù)調(diào)節(jié)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(wěn)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(fā)現(xiàn)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(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，溫度沒有波動，我好像不用調(diào)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(jù)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兀?/p>

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(diào)節(jié)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(tǒng)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(wěn)穩(wěn)的50℃。

kI的值越大，積分時乘的系數(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。

編輯：jq