嵌入式系统PID控制算法详解

一、什么是PID？

      PID，就是“比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）”英文缩写，PID控制，又称PID调节，是一种很常见的控制算法，PID已经有100多年的历史了。其实PID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....武汉华嵌科技（www.embedhq.org）在嵌入式系统的PID控制研究方面积累了很多项目经验。

      它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

      应用场合：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。

      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）。

二、调节系数kP、kI、kD

1、kP

        P就是比例的意思。它的作用最明显，原理也最简单。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』。

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。

2、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”。

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。

3、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？于是，水温永远地停留在45℃，永远到不了50℃。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？

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。

三、再来看看PID到底怎么调？

参数整定找最佳，从小到大顺序查
先是比例后积分，最后再把微分加
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢，积分时间往下降
曲线波动周期长，积分时间再加长
曲线振荡频率快，先把微分降下来
动差大来波动慢。微分时间应加长
理想曲线两个波，前高后低四比一
一看二调多分析，调节质量不会低

若要反应增快，增大P减小I

若要反应减慢，减小P增大I

如果比例太大，会引起系统震荡

如果积分太大，会引起系统迟钝

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