|
今天给老铁们分享一下PID算法的基础知识~~老铁们~一、PID控制器的简介目前工业自动化水平已经成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时控制理论的发展也经历了古典控制理论-现代控制理论-智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。整个控制系统包括：控制器（CPU）、传感器、输入输出接口、执行机构等部分组成。 工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在恒定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的给定值一致。
而PID的是英文Proportion（比例）-Integral（积分）-Differential（微分）的英文首字母，其中文名称是：比例-积分-微分控制器。
PID 可谓是相当经典的一种控制策略，据我所知目前涉及到自动控制的很多场景都在使用 PID 控制器。（也有其他高级控制器，比如自抗扰ADRC控制算法）PID控制器的问世至今已有70年历史，它以结构简单、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。而当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者说得不到精确的数学模型的时候，控制理论的其他技术将难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，PID控制技术可能是比较理想的控制方案。也就是说当我们不了解一个系统和被控制对象，或者不能通过有效的手段来获得系统参数时，最适用使用PID控制技术。PID控制技术根据实际需要还可以分为P控制PI控制PD控制以及其他的优化变形。PID控制器其实就是根据系统的偏差，利用比例环节、积分环节、微分环节计算出控制量进行控制的。
PID控制器的算法实现不是难点，难点是 PID参数的整定调试。一般工程人员采用的都是经验法调试，如果经验不足则可能很难找到合适的参数。本文我们将使用微型四轴以及自平衡小车为PID调试载体，带大家了解PID的参数整定过程。 二、PID相关名词解释首先给大家解释一下相关的名词，我们下面会用到这些东西。 1.PID PID的是英文Proportion（比例）-Integral（积分）-Differential（微分）的英文首字母，其中文名称是：比例-积分-微分控制器。 2.被控对象
在本篇文章中的控制对象就是微型四轴和我们的自平衡小车。我们将在第5部分和第六部分带着大家整定微型四轴和自平衡小车的PID参数。 3.开环系统
开环系统指的是被控对象的输出（被控制量）对控制器的输出没有影响， 在这种控制系统中，没有形成闭环回路。本次输出量没有进行反馈，不影响下次输出量。 4.闭环系统
闭环系统的特点是系统被控对象的输出（被控制量），会通过反馈通道返送回来影响控制器的输出，形成一个或者多个闭环系统（单环就是一个闭环，串级一般就是指两个闭环。而我们的微型四轴和自平衡小车使用的均是串级双环PID，其内环为角速度环，其外环为角度环）。闭环控制系统有正反馈和负反馈，如果反馈回来的信号数值符号与给定的信号相反，则称为负反馈。如果极性相同就称为正反馈，一般的闭环控制系统使用的都是负反馈。闭环控制系统用处特别特别的多，其不仅仅局限在技术领域，非技术领域比如一个团队的管理，一个公司的组织运营等等都离不开闭环系统。 5.阶跃信号
如下图，在t0时刻突然给一个信号，让其稳定在另一个值，这就是阶跃信号。信号从0变到1然后稳定为1，我们就称这个信号为单位阶跃信号。而当这个阶跃信号输入到一个系统中，我们会得到相应的输出而这个输出我们就称之为阶跃响应。
图2.1 阶跃信号 6.期望值
期望值又称为给定值，或者说是目标值。在我们的四轴中期望值就是遥控器给定的值，我们四轴中遥控器的给定值就是目标角度和目标角速度。我们自平衡小车中的给定值也是给定的目标角度和目标角速度。与其对应的就是我们的传感器测量得出的实际值。 7.偏差
上述说到的目标值减去实际值就是我们的偏差值。 8.系统中的稳态误差
&emsp&emsp系统的稳态误差，我们平常又称之为静差。稳态误差指的是系统的响应进入问题后，系统的期望输出与实际输出之差。比如说我们的期望输出是1，但是输入信号经过了系统之后稳定下来的输出是0.9左右，这里的0.9就是实际值，而1就是期望的目标值。图2.2中，这三条响应曲线稳定后的输出均没有达到期望值，图上从5s之后的，期望值减去实际值就是系统的稳态误差又称静差。
图2.2 稳态误差示意图 9.控制系统的性能
&emsp&emsp控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳指的是系统的稳定性，一个系统要能正常工作首要条件就是必须是稳定的。从阶跃响应来看应该是收敛的。准指的是系统的准确性，控制系统的精确度，通常我们使用稳态误差来描述，稳态误差越小其精确度越高也就是我们说的比较准确。快指的是控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述，下面这个图3种参数下的系统性能。
我们在进行PID参数整定的目的其实就是为了调节系统的稳、准、快这三个特性。
图2.3不同参数下的系统性能
红线：
从图上，我们可以看出红线的超调比较大也就是稳定性最差，但是响应速度最快，稳态误差也很小。所以总结一下就是红线稳定性比较差，快速性很好，稳定性也很好。
紫线：
快速性还不错，就是稳态误差很大说明其准确性不好，其超调不大说明稳定性还不错。
绿线：
快速性最差，稳定性比较好，准确性也比较好。 10.上升时间
这里我们直接认为是 从一开始0% 到第一次达到目标值的时间100%。
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！ | 
