如何使用 PID 控制器？

Question

我目前正在研究温度控制器。

我有一个 Temperature_PID() 函数，它返回操纵变量（这是 P、I 和 D 项的总和），但我该如何处理这个输出？

温度由 PWM 控制，因此 0% 占空比 = 加热器关闭，100% 占空比 = 加热器开启。

到目前为止我尝试过

Duty_Cycle += Temperature_PID();
if(Duty_Cycle > 100) Duty_Cycle = 100;
else if(Duty_Cycle < 0) Duty_Cycle = 0;

这对我不起作用，因为 I 术语基本上使这个系统非常不稳定。想象一下整合一个区域，添加另一个小数据点，然后再次整合该区域，然后将它们相加。一遍又一遍。这意味着每个数据点都会使这种控制方案成倍恶化。

我想尝试的另一件事是

Duty_Cycle = Expected_Duty_Cycle + Temperature_PID();

其中 Expected_Duty_Cycle 是控制器达到稳定点且 Temperature_PID() 为 0 时应设置的温度。但是，这也不起作用，因为 Expected_Duty_Cycle 总是会根据加热器的条件而变化，例如不同的天气。

所以我的问题是我究竟如何处理 PID 的输出？我不明白如何根据 PID 输出分配占空比。理想情况下，这将保持 100% 的占空比，直到温度几乎达到设定点并开始下降到较低的占空比。但是使用我的第一种方法（我的增益设置为零）它只会在它已经过冲之后才开始降低占空比。

这是我的第一篇文章。希望我能找到我的答案。谢谢stackoverflow。

编辑： 这是我的 PID 函数。

double TempCtrl_PID(PID_Data *pid)
{
    Thermo_Data tc;
    double error, pTerm, iTerm, dTerm;

    Thermo_Read(CHIP_TC1, &tc);

    pid->last_pv = pid->pv;
    pid->pv = Thermo_Temperature(&tc);
    error = pid->sp - pid->pv;
    if(error/pid->sp < 0.1)
        pid->err_sum += error;

    pTerm = pid->kp * error;
    iTerm = pid->ki * pid->err_sum;
    dTerm = pid->kd * (pid->last_pv - pid->pv);

    return pTerm + iTerm + dTerm;
}

编辑 2： 以前从来没有用过这个，所以如果链接坏了，请告诉我。 https://picasaweb.google.com/113881440334423462633/January302013

抱歉，当我尝试重命名坐标轴或标题时，Excel 崩溃了。注意：系统中还没有风扇，所以我不能尽可能快地冷却加热器，所以与上面相比，它在设定点以下花费的时间很少。 第一张图是一个简单的开关控制器。 第二张图是我的 PD 控制器。正如您所看到的，温度降低需要更长的时间，因为它不会在温度过冲之前减去，它会等到温度过冲后再从占空比中减去，而且这样做太慢了。我该如何告诉我的控制器在达到最高温度之前降低占空比？

Answer 1

PID的输出是占空比。您必须调整 kp、ki 和 kd 以将 PID 输出置于 Duty_Cycle 的范围内，例如 0 到 100。通常最好在 PID 函数中明确限制输出自己。

您应该通过简单的步骤“调整”您的 PID。

1. 关闭积分和导数项（将ki 和kd 设置为零）

2. 慢慢增加您的kp，直到设定点的 10% 阶跃变化使输出振荡

3. 将kp 减少 30% 左右，这应该可以消除振荡

4. 将ki 设置为kp 的一小部分，并进行调整以在过冲与达到设定点的时间之间取得理想的平衡

5. 希望你不需要kd，但如果你需要，请让它更小

Answer 2

您的 PID 控制器输出应该直接设置占空比的值。

基本上，您将根据实际温度与温度设定点的差异来控制加热器设置。

您需要调整 PID 参数的值以获得所需的性能。

首先，将 I 和 D 设置为零，并为 P 输入一个值，例如从 2 开始。

更改设定值，看看您的反应是什么。增加 P 并进行另一个设定值更改，看看会发生什么。最终，您将看到温度持续波动并且永远不会达到任何稳定值。这个值被称为“终极增益”。还要注意振荡的频率。设置 P 等于最终增益的一半。

从 I 的值 1.2（最终增益）/（振荡频率）开始并更改设定值。根据这些值调整 P 和 I 的值以到达您想去的地方，跟踪过程并查看增加或减少值是否会改善事情。

一旦你有了 P 和 I，你就可以在 D 上工作，但取决于过程动态，为 D 赋值可能会让你的生活变得更糟。

The Ziegler-Nichols method 为您提供了一些关于 PID 值的指导方针，这些指导方针应该能让您大致了解。从那里您可以进行调整以获得更好的性能。

您必须权衡过冲选项和温度达到新设定点所需的时间。温度调节得越快，您的过冲就越多。没有超调会大大增加时间。

Answer 3

一些建议：

• 您似乎集成了两次。一次进入你的TempCtrl_PID 函数，一次在外面。 Duty_Cycle += 。所以现在你的 P 词真的是 I。
• 仅从 P 项开始并不断增加它，直到系统变得不稳定。然后后退（例如，使用 1/2 到 1/4 变得不稳定的值）并开始添加 I 项。从 I 项的非常低的值开始，然后逐渐增加。这个过程是调整循环的一种方式。因为系统可能会有相当长的时间常数，所以这可能很耗时...
• 您可以按照您的建议添加一些前馈（给定设定点的预期占空比 - 通过设置占空比并让系统稳定来映射它。）。该术语是否不完美并不重要，因为循环将消除剩余的错误。您也可以简单地为占空比添加一些恒定偏差。请记住，常数不会真正产生任何影响，因为积分器会将其取出。它只会影响冷启动。
• 确保此循环有某种固定的时基。例如。每 10 毫秒进行一次调整。
• 我暂时不用担心 D 术语。 PI 控制器应该足以满足大多数应用的需求。