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

讲个故事告诉你PID到底是啥

单片机与嵌入式 来源:单片机与嵌入式 2023-08-11 16:29 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a27edce4-381d-11ee-9e74-dac502259ad0.gif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”。 a2aaa8ce-381d-11ee-9e74-dac502259ad0.gif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:要是把上图所示的系统浸没在水里,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。



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
  • 单片机
    +关注

    关注

    6035

    文章

    44553

    浏览量

    634736
  • PID
    PID
    +关注

    关注

    35

    文章

    1472

    浏览量

    85487
  • 温度控制器
    +关注

    关注

    1

    文章

    175

    浏览量

    33802

原文标题:讲个故事告诉你PID到底是啥

文章出处:【微信号:单片机与嵌入式,微信公众号:单片机与嵌入式】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    差分,单端到底是什么?

    放大器里面各种的引脚,各种输入口,最常出现的就是差分,单端,那到底是
    的头像 发表于 02-13 11:10 7377次阅读
    差分,单端<b class='flag-5'>到底是</b>什么?

    labview pid 输出的值,到底是个什么意思

    如题: labview pid 输出的值,到底是个什么意思,求答
    发表于 11-23 09:09

    Labview PID工具包输出的值到底是什么值

    PID输出的值到底是什么含义啊
    发表于 05-02 20:25

    PID算法比例控制出现稳态误差

    学习PID过程中对只有P控制会出现稳态误差这个问题很疑惑,但是在网上没有找到关于稳态误差的解释,只是说了有稳态误差,没有说稳态误差到底是个什么过程(犹如只告诉数学公式,不
    发表于 05-15 05:51

    PID控制器的作用到底是什么

    问题,控制器的作用到底是什么?相信不少同学在学习自动控制原理的时候,接触最多的是:直接对传递函数进行分析,比如研
    发表于 09-07 07:39

    PID控制算法到底是什么?

    PID控制算法到底是什么?
    发表于 10-11 07:14

    工业互联网, 到底用?

    工业互联网,到底用?
    的头像 发表于 03-01 12:32 3397次阅读
    工业互联网, <b class='flag-5'>你</b><b class='flag-5'>到底</b>有<b class='flag-5'>啥</b>用?

    什么是PID?给你讲个通俗易懂的故事

    PIDPID,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。
    的头像 发表于 10-30 06:22 906次阅读

    彻底搞懂PID到底是

    先来彻底搞懂PID到底是PID,就是比例(proportional)、积分(integral)、微分(differential),是一种很常见的控制算法。在工程实际中,应用最为广
    的头像 发表于 11-13 18:21 2.5w次阅读

    什么是PID?给你讲个故事,通俗易懂!资料下载

    电子发烧友网为提供什么是PID?给你讲个故事,通俗易懂!资料下载的电子资料下载,更有其他相关的电路图、源代码、课件教程、中文资料、英文资料、参考设计、用户指南、解决方案等资料,希望可
    发表于 04-24 08:43 9次下载
    什么是<b class='flag-5'>PID</b>?给你<b class='flag-5'>讲个</b><b class='flag-5'>故事</b>,通俗易懂!资料下载

    交互设计到底是什么?这篇文章告诉

    并不是互联网设计岗的“终点”,很多UI设计师都把“转型成交互设计师”放在自己的职业规划中,那交互设计师究竟是做什么的,和UI设计的区别又在哪呢? 一、UI和UX到底是什么? 要转型,首先就得了解UI 与 UX 到底是什么,略过那些绕口的英文名
    发表于 07-20 09:30 861次阅读
    交互设计<b class='flag-5'>到底是</b>什么?这篇文章<b class='flag-5'>告诉</b><b class='flag-5'>你</b>!

    元宇宙到底是,会催生一个怎样的平行世界

    元宇宙到底是,会催生一个怎样的平行世界?今年下半年以来,很多资本企业家都在纷纷布局元宇宙,元宇宙大火。很多企业非常看好元宇宙,坚信未来大有作用,那么元宇宙到底是呢?
    的头像 发表于 11-22 09:29 3637次阅读

    PID到底是讲个故事告诉

    PID,就是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”,是一种很常见的控制算法。
    发表于 06-01 10:11 479次阅读
    <b class='flag-5'>PID</b><b class='flag-5'>到底是</b>个<b class='flag-5'>啥</b>?<b class='flag-5'>讲个</b><b class='flag-5'>故事</b><b class='flag-5'>告诉</b><b class='flag-5'>你</b>

    什么是PID讲个故事,秒懂!

    PID?用术语来说,PID的英文全称为“ProcessIdentifier”,它属于电工电子类技术术语,是比例、积分、微分的简称。PID控制的难点不是编程,而是控制器的参数整定。参
    的头像 发表于 09-13 11:29 8933次阅读
    什么是<b class='flag-5'>PID</b>?<b class='flag-5'>讲个</b><b class='flag-5'>故事</b>,秒懂!

    PID到底是个什么?举个例子告诉

    什么是PIDPID,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
    的头像 发表于 06-09 10:54 2952次阅读
    <b class='flag-5'>PID</b><b class='flag-5'>到底是</b>个什么?举个例子<b class='flag-5'>告诉</b><b class='flag-5'>你</b>