為什么需要PID控制器?PID不適用于哪些場(chǎng)景?

PID是很多朋友大學(xué)的時(shí)候就開始接觸的控制算法和控制器件之一，而在實(shí)際應(yīng)用中，PID同樣占據(jù)著重要地位。為增進(jìn)大家對(duì)PID的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)需要PID控制器的理由以及PID不適用的場(chǎng)景予以介紹。如果你對(duì)PID具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、為什么需要PID控制器

生活中的一些小電器，無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行速度控制等等，都應(yīng)用到 PID——PID 控制在自動(dòng)控制原理中是一套比較經(jīng)典的算法。

我們常見到這類設(shè)備，只不過沒有留心或者發(fā)現(xiàn)了沒有深入探究以及主動(dòng)搜索一下其中的原理而已。

為什么說(shuō)產(chǎn)品經(jīng)理需要保持強(qiáng)烈的好奇心?發(fā)現(xiàn)生活、身邊的美，探究一下為我所用。

比如我們家里的恒溫?zé)崴?、小米的平衡車，我們常常說(shuō)的自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、掃地機(jī)、大火的服務(wù)機(jī)器人等等產(chǎn)品上有廣泛的應(yīng)用。

不管你學(xué)沒學(xué)過控制理論，只要涉及到機(jī)電一體化系統(tǒng)，一定會(huì)接觸到 PID 控制算法。

為什么需要 PID 控制器呢?

你一定用過恒溫?zé)崴畨?，你想讓熱水壺的水保持在一個(gè)恒定的溫度，回到家拿起來(lái)就喝，不需要慢慢等水燒開再等到水冷卻到適合咕咚咕咚喝的溫度。

這時(shí)候就需要一種算法先將水溫加熱到目標(biāo)位置附近，能夠“預(yù)見”這個(gè)水溫的變化趨勢(shì)，然后還能根據(jù)各種環(huán)境影響因素造成誤差去調(diào)節(jié)以維持設(shè)定目標(biāo)。

當(dāng)然，熱水壺不需要那么高的精確度，可能只用 PD 就搞定了。

那，比如自動(dòng)駕駛中控制汽車維持在某個(gè)設(shè)定的速度行駛，或?qū)⑵嚤３衷谝粋€(gè)固定車道內(nèi)行駛，這就需要非常精準(zhǔn)。

這下你知道 PID 到底是個(gè)什么東東了吧!

一個(gè)基本的PID控制器，很難調(diào)節(jié)這個(gè)過程, 主要是因?yàn)檫^程運(yùn)行在最大負(fù)荷或運(yùn)行過于保守時(shí)，它的控制活動(dòng)往往太過激進(jìn)。這個(gè)問題的經(jīng)典解決方案就是所謂的 "增益調(diào)度"，不需要為PID 算法添加任何額外的智能算法, 但它需要多個(gè)控制器，每個(gè)控制器僅在過程變量落在一定范圍內(nèi)時(shí)才激活。

具體地說(shuō)，在過程變量接近100%時(shí)，保守的控制器接管控制，而在過程變量接近0%時(shí)，積極的控制器將接管控制。過程變量也可以劃分為兩個(gè)以上的范圍, 每個(gè)區(qū)域都有自己的 PID 控制器, 以適應(yīng)每個(gè)范圍的過程行為。

另一方面, 如果與該例類似的非線性過程運(yùn)行時(shí)，其過程變量如果只局限于某個(gè)狹窄的范圍, 那么單一的傳統(tǒng) PID 控制器就足夠了。在其它范圍內(nèi)，過程要么變得太敏感，要么變得太不敏感，但是控制器控制行為已經(jīng)變得不太重要，因?yàn)檫M(jìn)程永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)那里。幸運(yùn)的是，在工業(yè)應(yīng)用中, 控制對(duì)象將過程變量維持在某個(gè)設(shè)定位置上，是一個(gè)相當(dāng)常見的情況。

二、不適用PID的場(chǎng)合

雖然PID回路是這樣的簡(jiǎn)單、普及和多用途, 但是仍有一些反饋控制問題需要替代解決方案。有時(shí)應(yīng)用PID會(huì)用力過猛，例如，在烤箱內(nèi)調(diào)節(jié)溫度的開/關(guān)加熱元件。只有當(dāng)需要較高精度時(shí), 才需要 PID 回路。比如在大多數(shù)家庭中使用的恒溫控制器，如果溫度下降過低時(shí)，只需打開加熱器，或溫度過高時(shí)關(guān)閉控制器，就可以維持大致恒定的溫度。

另一種極端情況, 控制問題需要有比PID更智能化的解決方案, 如控制器必須提前計(jì)劃約束控制, 以避免將控制活動(dòng)或過程變量，調(diào)節(jié)到可接受的范圍之外。對(duì)于多變量控制也需要高級(jí)規(guī)劃, 控制器必須協(xié)調(diào)多個(gè)執(zhí)行器的工作, 同時(shí)控制多個(gè)過程變量。

PID回路可以強(qiáng)制適用于這些應(yīng)用中的任何一種，但更先進(jìn)的、自定義設(shè)計(jì)的控制技術(shù)通常更具成本效益，至少在最初時(shí)是如此。但在通常情況下, 設(shè)計(jì)和實(shí)施這些技術(shù)的專家在項(xiàng)目結(jié)束后可能需要進(jìn)行其它項(xiàng)目, 讓非專家處理過程及其控制器。因此, 如果以后出現(xiàn)問題, 可能就沒有足夠的內(nèi)部專家來(lái)解決這一難題。這種情況通常會(huì)導(dǎo)致高級(jí)控制器被 PID替代甚至完全被禁用, 盡管這樣可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。

然后，還有其它的控制問題, 即使不是不可能，也難以通過任何控制算法來(lái)解決。錯(cuò)誤的傳感器、尺寸過小的執(zhí)行器、斷開的連接等問題都必須在任何類型的反饋控制工作之前解決。

以上便是此次帶來(lái)的PID相關(guān)內(nèi)容，通過本文，希望大家對(duì)PID已經(jīng)具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，將于后期帶來(lái)更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!