为什么需要PID控制器?PID不适用于哪些场景?

PID是很多朋友大学的时候就开始接触的控制算法和控制器件之一，而在实际应用中，PID同样占据着重要地位。为增进大家对PID的认识，本文将对需要PID控制器的理由以及PID不适用的场景予以介绍。如果你对PID具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、为什么需要PID控制器

生活中的一些小电器，无人机的飞行姿态和飞行速度控制等等，都应用到 PID——PID 控制在自动控制原理中是一套比较经典的算法。

我们常见到这类设备，只不过没有留心或者发现了没有深入探究以及主动搜索一下其中的原理而已。

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比如我们家里的恒温热水器、小米的平衡车，我们常常说的自动驾驶、无人机、扫地机、大火的服务机器人等等产品上有广泛的应用。

不管你学没学过控制理论，只要涉及到机电一体化系统，一定会接触到 PID 控制算法。

为什么需要 PID 控制器呢?

你一定用过恒温热水壶，你想让热水壶的水保持在一个恒定的温度，回到家拿起来就喝，不需要慢慢等水烧开再等到水冷却到适合咕咚咕咚喝的温度。

这时候就需要一种算法先将水温加热到目标位置附近，能够“预见”这个水温的变化趋势，然后还能根据各种环境影响因素造成误差去调节以维持设定目标。

当然，热水壶不需要那么高的精确度，可能只用 PD 就搞定了。

那，比如自动驾驶中控制汽车维持在某个设定的速度行驶，或将汽车保持在一个固定车道内行驶，这就需要非常精准。

这下你知道 PID 到底是个什么东东了吧!

一个基本的PID控制器，很难调节这个过程, 主要是因为过程运行在最大负荷或运行过于保守时，它的控制活动往往太过激进。这个问题的经典解决方案就是所谓的 "增益调度"，不需要为PID 算法添加任何额外的智能算法, 但它需要多个控制器，每个控制器仅在过程变量落在一定范围内时才激活。

具体地说，在过程变量接近100%时，保守的控制器接管控制，而在过程变量接近0%时，积极的控制器将接管控制。过程变量也可以划分为两个以上的范围, 每个区域都有自己的 PID 控制器, 以适应每个范围的过程行为。

另一方面, 如果与该例类似的非线性过程运行时，其过程变量如果只局限于某个狭窄的范围, 那么单一的传统 PID 控制器就足够了。在其它范围内，过程要么变得太敏感，要么变得太不敏感，但是控制器控制行为已经变得不太重要，因为进程永远不会到达那里。幸运的是，在工业应用中, 控制对象将过程变量维持在某个设定位置上，是一个相当常见的情况。

二、不适用PID的场合

虽然PID回路是这样的简单、普及和多用途, 但是仍有一些反馈控制问题需要替代解决方案。有时应用PID会用力过猛，例如，在烤箱内调节温度的开/关加热元件。只有当需要较高精度时, 才需要 PID 回路。比如在大多数家庭中使用的恒温控制器，如果温度下降过低时，只需打开加热器，或温度过高时关闭控制器，就可以维持大致恒定的温度。

另一种极端情况, 控制问题需要有比PID更智能化的解决方案, 如控制器必须提前计划约束控制, 以避免将控制活动或过程变量，调节到可接受的范围之外。对于多变量控制也需要高级规划, 控制器必须协调多个执行器的工作, 同时控制多个过程变量。

PID回路可以强制适用于这些应用中的任何一种，但更先进的、自定义设计的控制技术通常更具成本效益，至少在最初时是如此。但在通常情况下, 设计和实施这些技术的专家在项目结束后可能需要进行其它项目, 让非专家处理过程及其控制器。因此, 如果以后出现问题, 可能就没有足够的内部专家来解决这一难题。这种情况通常会导致高级控制器被 PID替代甚至完全被禁用, 尽管这样可能会导致性能下降。

然后，还有其它的控制问题, 即使不是不可能，也难以通过任何控制算法来解决。错误的传感器、尺寸过小的执行器、断开的连接等问题都必须在任何类型的反馈控制工作之前解决。

以上便是此次带来的PID相关内容，通过本文，希望大家对PID已经具备一定的了解。如果你喜欢本文，不妨持续关注我们网站哦，将于后期带来更多精彩内容。最后，十分感谢大家的阅读，have a nice day!