標題: PID算法原理，調整規律及代碼 [打印本頁]
作者: liuyy 時間: 2015-1-12 14:29
標題: PID算法原理，調整規律及代碼
一、PID算法簡介
在智能車競賽中，要想讓智能車根據賽道的不斷變化靈活的行進，PID算法的采用很有意義。
首先必須明確PID算法是基于反饋的。一般情況下，這個反饋就是速度傳感器返回給單片機當前電機的轉速。簡單的說，就是用這個反饋跟預設值進行比較，如果轉速偏大，就減小電機兩端的電壓；相反，則增加電機兩端的電壓。
控制器公式 為：
式中
顧名思義，P指是比例（Proportion），I指是積分（Integral），D指微分（Differential）。在電機調速系統中，輸入信號為正，要求電機正轉時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機轉速越高，反饋信號越大。要想搞懂PID算法的原理，首先必須先明白P,I,D各自的含義及控制規律：
比例P：比例項部分其實就是對預設值和反饋值差值的發大倍數。舉個例子，假如原來電機兩端的電壓為U0，比例P為0.2，輸入值是800，而反饋值是1000，那么輸出到電機兩端的電壓應變為U0+0.2*（800-1000）。從而達到了調節速度的目的。顯然比例P越大時，電機轉速回歸到輸入值的速度將更快，及調節靈敏度就越高。從而，加大P值，可以減少從非穩態到穩態的時間。但是同時也可能造成電機轉速在預設值附近振蕩的情形，所以又引入積分I解決此問題。
積分I：顧名思義，積分項部分其實就是對預設值和反饋值之間的差值在時間上進行累加。當差值不是很大時，為了不引起振蕩。可以先讓電機按原轉速繼續運行。當時要將這個差值用積分項累加。當這個和累加到一定值時，再一次性進行處理。從而避免了振蕩現象的發生。可見，積分項的調節存在明顯的滯后。而且I值越大，滯后效果越明顯。
微分D：微分項部分其實就是求電機轉速的變化率。也就是前后兩次差值的差而已。也就是說，微分項是根據差值變化的速率，提前給出一個相應的調節動作。可見微分項的調節是超前的。并且D值越大，超前作用越明顯。可以在一定程度上緩沖振蕩。比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。
二、參數調整一般規則
由各個參數的控制規律可知，比例P使反應變快，微分D使反應提前，積分I使反應滯后。在一定范圍內，P，D值越大，調節的效果越好。各個參數的調節原則如下：
PID調試一般原則
a. 在輸出不振蕩時，增大比例增益P。
b. 在輸出不振蕩時，減小積分時間常數Ti。
c. 輸出不振蕩時，增大微分時間常數Td。
三、參數調整一般步驟
a.確定比例增益P
確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0，PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調試完成。
b.確定積分時間常數Ti
比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數Ti調試完成。
c.確定積分時間常數Td
積分時間常數Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。
d.系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求
四、參數調整
PID控制器參數選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴充臨界比例度法等。但是，對于PID控制而言，參數的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經過不斷的調整才能得到較為滿意的控制效果。依據經驗，一般PID參數確定的步驟如下：
(1)確定比例系數Kp
確定比例系數Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調節。輸入設定為系統允許輸出最大值的60％～70％，比例系數Kp由0開始逐漸增大，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例系數Kp逐漸減小，直至系統振蕩消失。記錄此時的比例系數Kp，設定PID的比例系數Kp為當前值的60％～70％。
(2)確定積分時間常數Ti
比例系數Kp確定之后，設定一個較大的積分時間常數Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，然后再反過來，逐漸增大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150％～180％。
(3) 確定微分時間常數Td
微分時間常數Td一般不用設定，為0即可，此時PID調節轉換為PI調節。如果需要設定，則與確定Kp的方法相同，取不振蕩時其值的30％。
(4) 系統空載、帶載聯調
對PID參數進行微調，直到滿足性能要求。
PID代碼如下：
#include<string.h>
#include<stdio.h>
typedef struct PID {
double SetPoint; // 設定目標Desired value
double Proportion; // 比例常數Proportional Const
double Integral; // 積分常數Integral Const
double Derivative; // 微分常數Derivative Const
double LastError; // Error[-1]
double PrevError; // Error[-2]
double SumError; // Sums of Errors
} PID;
/*====================================================================================================
PID計算函數
=====================================================================================================*/
double PIDCalc( PID *pp, double NextPoint )
{
double dError, Error;
Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差
pp->SumError += Error; // 積分
dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 當前微分
pp->PrevError = pp->LastError;
pp->LastError = Error;
return (pp->Proportion * Error // 比例項
+ pp->Integral * pp->SumError // 積分項
+ pp->Derivative * dError // 微分項 );
}
/*====================================================================================================
PID結構體變量初始化函數
=====================================================================================================*/
void PIDInit (PID *pp)
{
memset ( pp,0,sizeof(PID));
}
/*====================================================================================================
讀取輸入變量函數（在此設定為固定值100）
======================================================================================================*/
double sensor (void)
{
return 100.0;
}
/*====================================================================================================
輸出變量控制函數
======================================================================================================*/
void actuator(double rDelta)
{
}
//主函數
void main(void)
{
PID sPID; // PID Control Structure
double rOut; // PID Response (Output)
double rIn; // PID Feedback (Input)
PIDInit ( &sPID ); // Initialize Structure
sPID.Proportion = 0.5; // Set PID Coefficients
sPID.Integral = 0.5;
sPID.Derivative = 0.0;
sPID.SetPoint = 100.0; // Set PID Setpoint
for (;;)
{ // Mock Up of PID Processing
rIn = sensor (); // Read Input
rOut = PIDCalc ( &sPID,rIn ); // Perform PID Interation
actuator ( rOut ); // Effect Needed Changes
}
}
作者: heros 時間: 2015-1-20 10:26
學習了，51黑有你更精彩！！
作者: lingshi1029 時間: 2015-1-22 10:32
講得太棒了，這是我見過的把智能小車 PID講解的最透徹的文章。
作者: 蒲公英lhl 時間: 2015-2-2 14:43
終于在手機上看完了，解決了我一直以來關于pid的疑惑 謝謝樓主.
作者: cainiaoPNR 時間: 2016-4-12 11:08
贊一個
作者: gqpj 時間: 2016-4-12 22:41
終于了解pid
作者: 最美ATY 時間: 2016-4-15 22:05
只能給你刷波666
作者: 小女子 時間: 2016-4-30 13:56
看完了，卻沒看懂
作者: ssli 時間: 2016-8-5 00:40
寫的清楚明白
作者: zhuozz 時間: 2016-11-5 10:21
在實際的工程例如溫控，速度控制中。也是只用PI控制就可以嗎？
作者: yanhongqiuhe 時間: 2016-12-17 15:27
很好，謝謝樓主
作者: 925302604 時間: 2017-4-23 11:11
贊一個，慢慢理解
作者: DX1319003641 時間: 2017-5-19 10:41
為什么上面說微分越大越好，但是下面的微分直接設置為零？？？？
作者: Daoist 時間: 2017-7-19 16:14
講的很清楚贊一個
作者: 啟暖愛人 時間: 2017-7-27 17:41
講的很清楚贊一個,解決了我一直以來關于pid的疑惑 謝謝樓主.
作者: 安茲烏爾恭 時間: 2017-7-31 15:37
多謝分享經驗
作者: linnyshow 時間: 2017-8-4 13:41
參考一下。。。
作者: 零度時空 時間: 2017-8-5 21:59
好帖！
作者: TIMEKILLER 時間: 2017-8-5 22:26
學習了，謝謝樓主！
作者: huangjiekaiming 時間: 2017-8-7 04:32
編程還是不會，傷心
作者: 中國紅 時間: 2017-9-12 10:31
怎么進行參數的整定？對于實際工程項目來說也是這樣的嗎？
作者: yeyuaihaozhe 時間: 2017-9-25 11:18
慢滿消化,謝謝
作者: 斬月1124 時間: 2017-11-2 13:49
看看能不能結合到我的安卓里面
作者: jian731019 時間: 2017-11-2 14:25
學習了，不光是在智能小車上，在溫度控制上PID也是 一樣的道理！
作者: JACKLI 時間: 2018-3-31 17:41
學習了，51黑有你更精彩！！
作者: owlandauk 時間: 2018-8-10 10:33
謝謝啦
作者: 在跑道揮灑汗水 時間: 2018-9-21 13:32
贊一個
作者: 小楓z 時間: 2018-9-25 16:33
插個眼，下來慢慢理解
作者: haizeiwang123 時間: 2018-10-29 14:51
贊一個
作者: hf6 時間: 2018-12-18 09:30
這是我見過的把PID講解的最透徹，我要好好理解和學習
作者: mamahuhu121 時間: 2018-12-18 13:18
這就是理論與軟件的結合
作者: QWERTY19 時間: 2018-12-18 15:09
這就是理論與軟件的結合
作者: adada_x_w_x_ 時間: 2019-12-23 16:40
學習了，很有幫助
作者: weilexuexi12 時間: 2020-3-28 17:45
學習了，棒棒噠
作者: 3078 時間: 2020-7-23 11:24
講的清楚明白，謝謝，學到了
作者: 溫存723 時間: 2020-8-6 14:44
受益匪淺！！ 感謝分享 51黑有你更精彩
作者: 溫存723 時間: 2020-8-6 14:46
這個屬于增量式還是位置式呢
作者: daiya 時間: 2022-3-16 12:11
樓主好人一生平安！
作者: daiya 時間: 2022-3-16 12:11
當然是增量式
作者: ceil 時間: 2022-5-6 23:09
這個文章太透徹了謝謝
作者: second_chan 時間: 2022-5-9 11:11
終于了解pid
作者: katv0718 時間: 2022-8-24 14:11
學習了，謝謝！PID很實用。
作者: dyx811 時間: 2022-8-27 13:48
學習了，很精湛！
作者: lihui2558 時間: 2022-8-29 08:50
輸出到電機兩端的電壓應變為U0+0.2*（800-1000）。從而達到了調節速度的目的。顯然比例P越大時，電機轉速回歸到輸入值的速度將更快，及調節靈敏度就越高。
作者: lihui2558 時間: 2022-8-29 08:52
輸出到電機兩端的電壓應變為U0+0.2*（800-1000）。從而達到了調節速度的目的。顯然比例P越大時，電機轉速回歸到輸入值的速度將更快，及調節靈敏度就越高。
p越大的話，電機兩端電壓變化越大，電機轉速回歸到輸入值的速度將更快？不太懂
作者: Curiosity.. 時間: 2022-10-9 13:44
學到了，可惜沒有早點刷到
作者: 紫色的云 時間: 2024-10-12 10:59
講的很清楚贊一個,謝謝分享
作者: cy009 時間: 2024-10-13 12:14
PID的理論學了很多，希望有更多的實際應用案例。
作者: j1ason 時間: 2025-3-4 13:51
很好，記錄一下
作者: 木子走走 時間: 2025-4-7 08:32
我看不懂都覺得很牛逼
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