PID算法概述

PID算法是工業(yè)控制系統(tǒng)和其他需要連續(xù)調(diào)制控制的應(yīng)用中常用的控制算法。它是最常用的反饋控制算法。PID控制器通過計算測量過程變量和所需設(shè)定值之間的“誤差”值來實現(xiàn)對過程的控制?？刂破魍ㄟ^調(diào)整過程控制輸入來盡量減少誤差。PID算法在控制器中使用比例、積分和微分控制項的影響來進行精確和最優(yōu)的控制。具體的控制器設(shè)計將取決于系統(tǒng)的需求和被控制過程的特性。

 

PID算法的歷史

PID算法最早起源于19世紀(jì)末期，當(dāng)時工業(yè)控制系統(tǒng)還處于發(fā)展初期。1868年，德國工程師弗朗茨·卡爾·普拉格首先提出了比例控制的概念，他認(rèn)為控制器的輸出應(yīng)該與誤差的大小成比例。20世紀(jì)初期，積分和微分控制項的概念也逐漸被提出，這些概念最終結(jié)合成為了PID算法。1940年代，PID算法在溫度控制、速度控制、壓力控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PID算法也逐漸由機械式控制器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂破鳌，F(xiàn)在PID算法已經(jīng)成為了工業(yè)控制和其他領(lǐng)域中最常用的控制算法之一。

 

?PID算法的應(yīng)用場景

PID算法在工業(yè)控制、自動控制、機器人控制、航空航天、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

  1. 工業(yè)過程控制：PID算法常用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度控制、壓力控制、流量控制等。
  2. 機器人控制：PID算法用于控制機器人的姿態(tài)、速度和位置。
  3. 航空航天：PID算法用于飛行器的姿態(tài)控制和導(dǎo)航控制。
  4. 電力系統(tǒng)：PID算法用于電力系統(tǒng)中的頻率控制和電壓控制。
  5. 音頻和視頻處理：PID算法用于音頻和視頻信號的處理中，如聲音增強、降噪等。
  6. 其他：PID算法還可以應(yīng)用于車輛懸掛系統(tǒng)、空調(diào)溫度控制等。

 

PID算法的優(yōu)勢

  1. 普適性強：PID算法適用于各種類型的系統(tǒng)，并且能夠在不同的條件下工作。
  2. 響應(yīng)快捷：PID算法能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)變化，并且能夠在短時間內(nèi)將系統(tǒng)狀態(tài)控制到目標(biāo)狀態(tài)。
  3. 穩(wěn)定性高：PID算法能夠穩(wěn)定地控制系統(tǒng)狀態(tài)，并且能夠抑制系統(tǒng)的振蕩。
  4. 簡單易用：PID算法結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整容易，易于理解和實現(xiàn)。
  5. 調(diào)整靈活：PID算法支持在線調(diào)整，能夠根據(jù)實際需要進行調(diào)整。
  6. 成本低廉：PID算法的實現(xiàn)成本低廉，不需要復(fù)雜的計算機硬件。

 

PID算法的弱點

PID算法也有一些弱點，體現(xiàn)在：

  1. 參數(shù)調(diào)整困難：PID算法需要調(diào)整三個參數(shù)（比例、積分、微分）來獲得最佳控制效果，但是這三個參數(shù)的調(diào)整往往需要專業(yè)知識和經(jīng)驗，且容易出現(xiàn)參數(shù)過大或過小的情況。
  2. 受模型限制：PID算法對于系統(tǒng)模型的要求較高，如果系統(tǒng)模型不精確，控制效果可能不理想。
  3. 對干擾敏感：PID算法對外部干擾敏感，如果系統(tǒng)存在大量外部干擾，可能會對控制效果產(chǎn)生負(fù)面影響。
  4. 不適用于非線性系統(tǒng)：PID算法適用于線性系統(tǒng)，對于非線性系統(tǒng)可能不能提供有效控制。
  5. 對高頻振蕩不敏感：PID算法不能有效抑制高頻振蕩，因為微分項只能對低頻振蕩起作用。

 

PID算法的開源庫有哪些？

PID算法在不同的語言和平臺上都有相應(yīng)的開源庫可供使用。

  1. PID for arduino: 這是一個用于Arduino平臺的PID庫，支持各種類型的PID控制器，并且易于使用。
  2. Python-control: 這是一個用于Python的PID庫，支持線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的控制，并提供了豐富的功能和文檔。
  3. Labview PID toolkit: 這是一個用于LabVIEW平臺的PID庫，提供了豐富的圖形用戶界面，可以方便地設(shè)置參數(shù)和調(diào)試。
  4. C++ control library: 這是一個用于C++的PID庫，支持各種類型的PID控制器，并且提供了豐富的功能和文檔。
  5. Matlab control system toolbox: Matlab自帶控制系統(tǒng)工具箱，包括PID算法的實現(xiàn)。

 

PID算法各編程語言代碼示例
以下是PID算法在幾種常用編程語言中的示例代碼：
C++:

class PID {
public:
PID(double kp, double ki, double kd);
double calculate(double setpoint, double feedback);
private:
double kp, ki, kd;
double integral, last_error;
};

PID::PID(double kp, double ki, double kd) : kp(kp), ki(ki), kd(kd), integral(0), last_error(0) {}

double PID::calculate(double setpoint, double feedback) {
double error = setpoint – feedback;
integral += error;
double derivative = error – last_error;
last_error = error;
return kp*error + ki*integral + kd*derivative;
}

 

Python:

class PID:
def __init__(self, kp, ki, kd):
self.kp = kp
self.ki = ki
self.kd = kd
self.integral = 0
self.last_error = 0

def calculate(self, setpoint, feedback):
error = setpoint – feedback
self.integral += error
derivative = error – self.last_error
self.last_error = error
return self.kp*error + self.ki*self.integral + self.kd*derivative

 

★關(guān)于WorkWin公司電腦監(jiān)控軟件★

WorkWin的使命是打造Work用途的Windows 電腦系統(tǒng)，有效規(guī)范員工上網(wǎng)行為，讓老板知道員工每天在做什么（監(jiān)控包括屏幕、上網(wǎng)在內(nèi)的一舉一動），限制員工不能做什么（禁止網(wǎng)購、游戲、優(yōu)盤等）。

WorkWin基于純軟件設(shè)計，非常容易使用，無需添加或改動任何硬件，使用一臺管理機監(jiān)控全部員工機電腦。歷經(jīng)南京網(wǎng)亞十余年精心打造，此時此刻每天都有成千上萬企業(yè)電腦正在運行WorkWin，選擇WorkWin選擇“贏”。

WorkWin介紹

WorkWin監(jiān)控首頁 短視頻講解 下載免費試用版

版權(quán)所有，南京網(wǎng)亞計算機有限公司 。本文鏈接地址: 工業(yè)控制領(lǐng)域的PID算法，一文看懂