平衡车PID算法 学习日记

我的学习日记是基于平衡车pid算法上，在其他方向可能会有欠缺。

开环与闭环

开环控制系统（Open-loop Control System）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响，在这种控制系统中，不依赖将被控制量返送回来以形成任何闭环回路。

闭环控制系统（Closed-loop Control System）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会返送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。

闭环控制的优点就是可以根据目前与期望的差距，更精确的调整数据的输入，更好达到你的期望数值，达到想要的结果。

PID总述

        PID算法是闭环控制系统中常用的算法，PID分别是 Proportion（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的首字母缩写。它是一种结合比例、积分和微分三个环节于一体的闭环控制算法。在闭环控制系统中，引入了反馈回路，利用输出（实际值）和输入（目标值）的偏差，对系统进行控制，避免偏离预定目标。闭环控制系统又称反馈控制系统

流程图

PID模拟程序

下面是一个最简单的pid程序，用于理解算法的原理

int PID_value(float measure, float calcu)
{
    err = measure - calcu;  // 计算误差
    err_sum += err;        // 误差积分
    I_xianfu(2000);        // 积分项的限幅，防止积分饱和
    err_difference = err - last_err; // 计算误差的微分
    last_err = err;       // 更新上一次的误差

    return Kp*err + Ki*err_sum+Kd*err_difference;     // 返回PID控制信号
    /*
        p值乘以误差 用于矫正系统达到期望值
        i值乘以误差总积分，用于平衡稳态误差
        d值乘以变化的数值，用于减小单次，所改变的数据防止出现大幅度震荡的情况
    */
}

PID在线模拟程序（镜像）这是文章所用到的模拟程序

Kp 比例环节（ Proportion）

我们需要根据所需要的数量级，合理调节p的值，也可以通过实际测试，来预估判断，不能过大，也不能过小

 计算公式 Kp*err

kp值为0，无法对系统进行矫正。

通过p值的调节，可以使误差减小，但是还是会存在一些差距，我们称他为稳态误差，这时就需要进行ki的调节

稳态误差（个人鄙见）：Kp乘以误差相当与力的输出量，方向是向上的，有重力等其他的力会对系统进行干扰，这个状态是相对静止的

 Ki  积分环节（Integral）

通过调节ki的值，误差不断减小

计算公式 Ki*err_sum

调节ki的输出总量这个状态是运动的，由上面状态转化为下面状态时一个移动的过程，需要时间，你们可以在调试时，更直观的感受

积分限幅的作用

当我对原来只有kp的数据调节加上ki的时候 无人机会迅速向上冲一段距离，这是由于err 的总和在不断累加，根据时间的延长他的总和会逐渐扩大，甚至成为一个难以想象的数值，这是积分限幅的作用，防止长时间的开机后，出现一些难以预测的错误。

ps  冲上去后，也会逐渐下降到我们的目标高度，只是时间问题，因为err是有正有负的，正的累加负的输入也可以中和，逐渐变为一个相反的值，i积分的输出量中和回去

Kd 微分环节（Differential）

计算公式 Kd*err_difference 

Kd微分环节，有利于减小高频振荡，在起步或是改变期望值时，会出现过调，在目标高度线周围震荡的效果

difference 是调整的幅度，幅度大就会阻尼，减小震荡的幅度，进行精确控制

在目标高度附近来回震荡，减小步进的幅度

小结

并不是所有控制都需要用到pid三个环节，而是其中的两个，或三个，这些要根据控制量的不同，综合选择。