0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

什么是PID?给你讲个通俗易懂的故事

电子设计 来源:电子设计 作者:电子设计 2020-10-30 06:22 次阅读

啥是 PID?

PID,就是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”,是一种很常见的控制算法。PID 已经有 107 年的历史了。

它并不是什么很神圣的东西,大家一定都见过 PID 的实际应用。

比如四轴飞行器,再比如平衡小车 ...... 还有汽车的定速巡航、3D 打印机上的温度控制器 ....

就是类似于这种:需要将某一个物理量“保持稳定”的场合(比如维持平衡,稳定温度、转速等),PID 都会派上大用场。

那么问题来了:

比如,我想控制一个“热得快”,让一锅水的温度保持在 50℃,这么简单的任务,为啥要用到微积分的理论呢。

你一定在想:

这不是 so easy 嘛~ 小于 50 度就让它加热,大于 50 度就断电,不就行了?几行代码用 Arduino 分分钟写出来。

没错~在要求不高的情况下,确实可以这么干~ But!如果换一种说法,你就知道问题出在哪里了:

如果我的控制对象是一辆汽车呢?

要是希望汽车的车速保持在 50km/h 不动,你还敢这样干么。

设想一下,假如汽车的定速巡航电脑在某一时间测到车速是 45km/h。它立刻命令发动机:加速!

结果,发动机那边突然来了个 100%全油门,嗡的一下,汽车急加速到了 60km/h。

这时电脑又发出命令:刹车!

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

所以,在大多数场合中,用“开关量”来控制一个物理量,就显得比较简单粗暴了。有时候,是无法保持稳定的。因为单片机传感器不是无限快的,采集、控制需要时间。

而且,控制对象具有惯性。比如你将一个加热器拔掉,它的“余热”(即热惯性)可能还会使水温继续升高一小会。

这时,就需要一种『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 ....

于是,当时的数学家们发明了这一历久不衰的算法——这就是 PID。

你应该已经知道了,P,I,D 是三种不同的调节作用,既可以单独使用(P,I,D),也可以两个两个用(PI,PD),也可以三个一起用(PID)。

这三种作用有什么区别呢?客官别急,听我慢慢道来

我们先只说 PID 控制器的三个最基本的参数:kP,kI,kD。

kP

P 就是比例的意思。它的作用最明显,原理也最简单。我们先说这个:

需要控制的量,比如水温,有它现在的『当前值』,也有我们期望的『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,跟开关控制方法相比,是不是“温文尔雅”了很多。

实际写程序时,就让偏差(目标减去当前)与调节装置的“调节力度”,建立一个一次函数的关系,就可以实现最基本的“比例”控制了~

kP 越大,调节作用越激进,kP 调小会让调节作用更保守。

要是你正在制作一个平衡车,有了 P 的作用,你会发现,平衡车在平衡角度附近来回“狂抖”,比较难稳住。

如果已经到了这一步——恭喜你!离成功只差一小步了~

kD

D 的作用更好理解一些,所以先说说 D,最后说 I。

刚才我们有了 P 的作用。你不难发现,只有 P 好像不能让平衡车站起来,水温也控制得晃晃悠悠,好像整个系统不是特别稳定,总是在“抖动”。


你心里设想一个弹簧:现在在平衡位置上。拉它一下,然后松手。这时它会震荡起来。因为阻力很小,它可能会震荡很长时间,才会重新停在平衡位置。

请想象一下:要是把上面的系统浸没在水里,同样拉它一下 :这种情况下,重新停在平衡位置的时间就短得多。

我们需要一个控制作用,让被控制的物理量的“变化速度”趋于 0,即类似于“阻尼”的作用。

因为,当比较接近目标时,P 的控制作用就比较小了。越接近目标,P 的作用越温柔。有很多内在的或者外部的因素,使控制量发生小范围的摆动。

D 的作用就是让物理量的速度趋于 0,只要什么时候,这个量具有了速度,D 就向相反的方向用力,尽力刹住这个变化。

kD 参数越大,向速度相反方向刹车的力道就越强。

如果是平衡小车,加上 P 和 D 两种控制作用,如果参数调节合适,它应该可以站起来了~欢呼吧。

等等,PID 三兄弟好像还有一位。看起来 PD 就可以让物理量保持稳定,那还要 I 干嘛?

因为我们忽视了一种重要的情况:

kI

还是以热水为例。假如有个人把我们的加热装置带到了非常冷的地方,开始烧水了。需要烧到 50℃。

在 P 的作用下,水温慢慢升高。直到升高到 45℃时,他发现了一个不好的事情:天气太冷,水散热的速度,和 P 控制的加热的速度相等了。

这可怎么办?

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。

于是,水温永远地停留在 45℃,永远到不了 50℃。

作为一个人,根据常识,我们知道,应该进一步增加加热的功率。可是增加多少该如何计算呢?


前辈科学家们想到的方法是真的巧妙。

设置一个积分量。只要偏差存在,就不断地对偏差进行积分(累加),并反应在调节力度上。

这样一来,即使 45℃和 50℃相差不太大,但是随着时间的推移,只要没达到目标温度,这个积分量就不断增加。系统就会慢慢意识到:还没有到达目标温度,该增加功率啦!

到了目标温度后,假设温度没有波动,积分值就不会再变动。这时,加热功率仍然等于散热功率。但是,温度是稳稳的 50℃。

kI 的值越大,积分时乘的系数就越大,积分效果越明显。

所以,I 的作用就是,减小静态情况下的误差,让受控物理量尽可能接近目标值。


I 在使用时还有个问题:需要设定积分限制。防止在刚开始加热时,就把积分量积得太大,难以控制。

审核编辑 黄昊宇

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • PID
    PID
    +关注

    关注

    35

    文章

    1472

    浏览量

    85487
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    请问什么是轨到轨?这种运放和普通运放比有什么特点和优点?

    什么是轨到轨?这种运放和普通运放比有什么特点和优点? 最近看到TI有一些运放属于轨到轨,不知道这类有什么特点,与普通的比有什么优缺点没?哪位给讲的通俗易懂点啊?
    发表于 09-18 06:52

    【「仓颉编程快速上手」阅读体验】+初步读后感

    ,内容易读是这本书的一大亮点。作者运用简洁明了的语言,将复杂的概念和理论阐述得通俗易懂。没有过多的专业术语堆砌,即使是没有相关背景知识的读者也能轻松理解。书中的案例丰富且贴近生活,进一步增强了内容
    发表于 09-10 11:09

    通俗易懂的理解,什么是芯片?

    我们在日常工作和生活中,经常会使用到各种各样的电子或电器产品,例如电脑、手机、电视、冰箱、洗衣机等。 这些产品,如果我们把它拆开,都会看到类似下面这样的一块绿色板子。 大家都知道,这个绿色板子,叫做电路板。更官方一点的名称,叫印制电路板,也就是PCB(Printed Circuit Board,国外有时候也叫PWB,Printed Wire Board)。 在PCB上,焊接了很多的电子元器件,例如电容、电阻、电感等。 我们还可以看到,有一些黑色的方形元件。 没错,这个
    的头像 发表于 08-22 13:32 3.1w次阅读
    <b class='flag-5'>通俗易懂</b>的理解,什么是芯片?

    位置式PID与增量式PID的区别

    PID(比例-积分-微分)控制器作为工业自动化领域中的核心控制算法,广泛应用于各种需要精确控制的系统中。在PID控制器的实现中,有两种主要的控制模式:位置式PID和增量式PID。虽然两
    的头像 发表于 06-05 16:23 6796次阅读

    【大语言模型:原理与工程实践】探索《大语言模型原理与工程实践》2.0

    读者更好地把握大语言模型的应用场景和潜在价值。尽管涉及复杂的技术内容,作者尽力以通俗易懂的语言解释概念,使得非专业背景的读者也能够跟上节奏。图表和示例的运用进一步增强了书籍的可读性。本书适合对人工智能
    发表于 05-07 10:30

    发酵罐搅拌器轴磨损修复方法

    这样修复发酵罐搅拌器轴磨损通俗易懂
    发表于 04-24 18:43 0次下载

    真的通俗易懂!差分信号电路的解读

    一、什么是差分运放电路差分电路是具有对共模信号抑制,对差模信号放大特征的电路。该电路的两个信号输信号的差值是该电路的有效值。将这两信号输入只差进行放大后输出。如果存在干扰信号,会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差,干扰信号的有效输入为零,这就达到了抗共模干扰的目的。对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以电路一定是负反馈电路。运放的基本分析方法就
    的头像 发表于 04-24 08:10 6913次阅读
    真的<b class='flag-5'>通俗易懂</b>!差分信号电路的解读

    详解4种过压保护电路!电源保护,通俗易懂

    今天给大家分享的是:过压保护、过压保护原理、过压保护电路。 一、过压保护是什么意思? 过压保护是一种电源功能,当输入电压超过预设值时会切断电源,为了防止高压浪涌,通常会一些过压保护方法。 大多数电源都使用过电压保护电路来防止损坏电子元件。过电压条件的影响因电路而异,范围从损坏组件到降低组件性能并导致电路故障或火灾。 由于电源内部故障或配电线路等外部原因,电源可能会出现过压情况。 过电压的幅度和持续时间是设
    的头像 发表于 03-28 17:47 1.5w次阅读
    详解4种过压保护电路!电源保护,<b class='flag-5'>通俗易懂</b>!

    什么是PIDPID各个参数有什么作用?

    PID,就是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”,是一种很常见的控制算法。 PID已经有107年的历史了,它并不是什么很神圣的东西,大家一定都见过PID的实际应用。
    发表于 03-18 11:24 1.1w次阅读
    什么是<b class='flag-5'>PID</b>?<b class='flag-5'>PID</b>各个参数有什么作用?

    谷歌在Play商店启用AI摘要功能 

    据悉,现阶段该功能对少数用户开放,他们可以在应用详情页面的“安装”按钮之下查看到“应用亮点”。这一功能依靠AI算法自动挖掘出应用的核心优势,并用通俗易懂的文字概括出来,以便用户能够迅速了解应用的主要特色。
    的头像 发表于 02-21 15:39 507次阅读

    通俗易懂电压跟随器的知识总结

    当电阻增加时,从电源汲取的电流会减少。因此,我们得出结论,如果电流馈入高阻抗负载,则功率不受影响。
    发表于 01-24 14:04 8204次阅读
    <b class='flag-5'>通俗易懂</b>电压跟随器的知识总结

    通俗易懂的材料的表面处理工艺

    真空电镀是一种物理沉积现象。即在真空状态下注入氩气,氩气撞击靶材,靶材分离成分子被导电的货品吸附形成一层均匀光滑的仿金属表面层。
    的头像 发表于 01-24 11:06 445次阅读
    <b class='flag-5'>通俗易懂</b>的材料的表面处理工艺

    如何通俗易懂理解射频微波

    在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去; 在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路。
    发表于 01-02 10:57 953次阅读
    如何<b class='flag-5'>通俗易懂</b>理解射频微波

    深度剖析汽车内部结构和原理

    很多人都想了解更多的汽车知识,以加深对汽车的了解,只是无奈汽车结构之复杂,机械知识之乏味,都一一放弃了。下面给大家准备了一组图解汽车文章,结合图片剖析汽车内部结构,让复杂的原理变得通俗易懂
    的头像 发表于 12-28 10:31 1189次阅读
    深度剖析汽车内部结构和原理

    如何通俗易懂地解释卷积?

    在本问题 如何通俗易懂地解释卷积?中排名第一的马同学在中举了一个很好的例子(下面的一些图摘自马同学的文章,在此表示感谢),用丢骰子说明了卷积的应用。
    发表于 12-26 17:36 747次阅读
    如何<b class='flag-5'>通俗易懂</b>地解释卷积?