pid算法詳細(xì)介紹

　　一、PID算法簡介

　　在智能車競賽中，要想讓智能車根據(jù)賽道的不斷變化靈活的行進(jìn)，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(jī)當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。簡單的說，就是用這個反饋跟預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)速偏大，就減小電機(jī)兩端的電壓；相反，則增加電機(jī)兩端的電壓。

　　顧名思義，P指是比例（Proportion），I指是積分（Integral），D指微分（Differential）。在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，輸入信號為正，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機(jī)轉(zhuǎn)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(guī)律：

　　比例P：比例項部分其實就是對預(yù)設(shè)值和反饋值差值的發(fā)大倍數(shù)。舉個例子，假如原來電機(jī)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(jī)兩端的電壓應(yīng)變?yōu)閁0+0.2*（800-1000）。從而達(dá)到了調(diào)節(jié)速度的目的。顯然比例P越大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速回歸到輸入值的速度將更快，及調(diào)節(jié)靈敏度就越高。從而，加大P值，可以減少從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的時間。但是同時也可能造成電機(jī)轉(zhuǎn)速在預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)值和反饋值之間的差值在時間上進(jìn)行累加。當(dāng)差值不是很大時，為了不引起振蕩。可以先讓電機(jī)按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行。當(dāng)時要將這個差值用積分項累加。當(dāng)這個和累加到一定值時，再一次性進(jìn)行處理。從而避免了振蕩現(xiàn)象的發(fā)生?？梢?，積分項的調(diào)節(jié)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(jī)轉(zhuǎn)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(jù)差值變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作?？梢娢⒎猪椀恼{(diào)節(jié)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(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。

　　由各個參數(shù)的控制規(guī)律可知，比例P使反應(yīng)變快，微分D使反應(yīng)提前，積分I使反應(yīng)滯后。在一定范圍內(nèi)，P，D值越大，調(diào)節(jié)的效果越好。

　　二、PID調(diào)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(shù)Ti。

　　c. 輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)Td。

　　三、pid算法參數(shù)調(diào)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(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

　　b.確定積分時間常數(shù)Ti

　　比例增益P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

　　c.確定積分時間常數(shù)Td

　　積分時間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

　　d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求

　　找三個以上PID算法應(yīng)用實例，結(jié)合實例明確參數(shù)調(diào)試的方法以及參數(shù)的意義，同時給小組成員做介紹

　　四、pid算法應(yīng)用環(huán)境

　　當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定；（由于賽道的參數(shù)事先未知，所以只能根據(jù)實時采集到的賽道數(shù)據(jù)控制小車沿著賽道行進(jìn)）。

　　在FPGA中使用PID算法做電機(jī)控制的完整框圖