學(xué)習(xí)及使用PID庫(kù)，輕松掌握PID

每個(gè)接觸PID的人，都知道PID的公式吧：

然后根據(jù)這個(gè)公式，就可以編出計(jì)算output的arduino程序如下：

注：程序源碼可以在原文上復(fù)制。

可是在上面的程序中，當(dāng)PID不規(guī)則的調(diào)用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：

1.有時(shí)候定時(shí)調(diào)用，有時(shí)候又停止調(diào)用，將得不到PID的持續(xù)穩(wěn)定特性。

2.需要額外對(duì)積分和微分進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，因?yàn)樗麄兌际呛蜁r(shí)間息息相關(guān)的。

解決方法：保證PID在一個(gè)固定的的時(shí)間間隔內(nèi)被調(diào)用，我通過(guò)每個(gè)周期內(nèi)事先設(shè)置好的采樣時(shí)間調(diào)用compute函數(shù)，PID再?zèng)Q定是計(jì)算還是立即返回?cái)?shù)值。一旦我們知道PID在固定時(shí)間間隔內(nèi)被調(diào)用，積分和微分的計(jì)算就能被簡(jiǎn)化。

于是我們的程序就變成了：

灰色部分是新加的語(yǔ)句。

在這個(gè)新的程序中，作者在29行把時(shí)間轉(zhuǎn)化為秒。這樣可以簡(jiǎn)化運(yùn)算。同時(shí)新加入后面兩個(gè)函數(shù)把PID參數(shù)轉(zhuǎn)化為以秒為基準(zhǔn)的參數(shù)。

當(dāng)上面的PID程序在運(yùn)行中，可能會(huì)出現(xiàn)微分過(guò)沖的問(wèn)題。

看上面的圖，因?yàn)閑rror=Setpoint-Input，只要Setpoint發(fā)生改變，就會(huì)導(dǎo)致error的值發(fā)生一個(gè)突變。在微分運(yùn)算里這種微分值的突變是無(wú)窮大的。

解決方法：

于是我們的程序就變成了：

可以看到我們只是用-dInput代替掉了+dError。

當(dāng)我們的PID在運(yùn)行的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候改變PID的參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致輸出發(fā)生變化，如：

我們只是把ki的值減少一半，輸出就減少了一半。為什么會(huì)這樣呢？可以從下面的積分公式里找到原因：

這就解釋了為什么KI沒(méi)改變之前系統(tǒng)工作的一直很穩(wěn)定。突然，你乘了一個(gè)新的KI值與之前的偏差累計(jì)總和。這樣帶來(lái)的變化不是我們所希望的，我們只想改變后能朝著我們希望的方向發(fā)展。

解決方法：解決的方法有很多，我在最新的Arduino PID庫(kù)里使用的方法是重新調(diào)整errSum（偏差總和）.KI變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍時(shí)，把errSum變?yōu)樵瓉?lái)的一半，雖然這個(gè)方法有點(diǎn)笨拙，下面有更加明智的方法。這個(gè)方法要求有基礎(chǔ)的代數(shù)基礎(chǔ)或者計(jì)算技巧。

把KI乘到里面，雖然看起來(lái)沒(méi)什么變化，但是我們將會(huì)看到這個(gè)小變化帶來(lái)了很大的不同?，F(xiàn)在我們將error和Ki相乘。并且把乘積和保存起來(lái)，當(dāng)Ki變化時(shí)，這時(shí)不會(huì)有很大的變化了，因?yàn)橹暗腒I的乘積和值已經(jīng)存儲(chǔ)起來(lái)了。

于是我們的程序就變成了：

這樣，我們?cè)俑淖儏?shù)，輸出也不會(huì)發(fā)生很大的變化。

本帖最后由 對(duì)折之內(nèi) 于 2015-4-13 19:17 編輯

當(dāng)我們的PID在運(yùn)行的時(shí)候，有時(shí)候會(huì)發(fā)生擺尾的情況。如圖：

這種情況發(fā)生在PID認(rèn)為它能做一些它實(shí)際上做不到的事情時(shí)。比如最大只能輸出255，可是PID輸出了300。原因在于PID并不知道最大的輸出只能為255。所以我們?cè)诔绦蚶锝oPID的輸出值加一些限制。告訴PID可以輸出的最大值為多少。我們的程序就變成了：

當(dāng)有的時(shí)候，你不需要使用PID計(jì)算的輸出值，想用自己設(shè)定的值。（比如想讓輸出為0），則你的程序可能會(huì)這樣寫(xiě)：

void loop（）

{

Compute（）;

Output=0;

}

這樣的話，不管PID想輸出什么，程序始終輸出0。這樣就會(huì)使PID變得很迷惑：“我嘗試著改變output，卻什么都沒(méi)有發(fā)生，怎么辦？我把改變的力度增大吧。”這樣，當(dāng)你停止使用自己設(shè)定的值作為輸出，重新使用PID作為輸出時(shí)。PID輸出很大的值，這樣系統(tǒng)就亂套了。

因此我們要在程序里，加一個(gè)開(kāi)關(guān)，在我們使用自己設(shè)定的值時(shí)，把PID關(guān)掉，不讓它進(jìn)行計(jì)算。

我們的程序就變成了：

在上面的程序中，我們給PID加了一個(gè)開(kāi)關(guān)，但是當(dāng)我們把PID的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，重新回到PID的時(shí)候，會(huì)發(fā)生下面的情況：

沒(méi)錯(cuò)，PID的輸出值會(huì)跳回成它發(fā)出的上一個(gè)輸出值。并且從那個(gè)值開(kāi)始來(lái)調(diào)整自己。

因此當(dāng)開(kāi)關(guān)重新打開(kāi)時(shí)，我們需要一個(gè)初始化函數(shù)，來(lái)重新初始化一下數(shù)據(jù)，先看程序：

可以知道，當(dāng)換模式的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行IniTIalize（）函數(shù)，把lasTInput的值更新成現(xiàn)在的采樣值，把ITerm的值更新成output的值，這樣就避免了第一次執(zhí)行PID時(shí)的跳變了。