Arduino PID库（5）：开启或关闭 PID 控制的影响

news2025/1/12 16:02:45

Arduino PID库（5）：开启或关闭 PID 控制的影响

Arduino PID库（4）：Reset Windup

问题

尽管拥有一个PID控制器很好，但有时你并不关心它要说什么。
BadForcedOutput

PID On - User Overwritting Output：PID 开启 - 用户覆盖输出

Confused PID keeps asking for more：混乱的 PID 不断要求更多

图中，蓝色的竖虚线表示在时间轴上，PID 控制由开启状态转为关闭的状态。如果我们对于关闭 PID 采取的操作是强制设定输出为 “PID 由开启转关闭对应的输出值或更小或为 0”。由于输出被设为定值，由于输出的 “力度” 不够，那么被控量会缓慢减少。但对于 PID 控制器来说，他不知道 PID 已经关闭了，由于被控量减少了，他就会努力增加输出，以求改变这种态势。但现实是残酷的，为何 “肆意” 增加输出，被控量却没有按照我设定的方向发展。此时，若突然又将 PID 打开了，将会有一个极大的输出，稳定性降低。
假设在程序中的某个时刻，您希望将输出强制为某个值（例如 0），您当然可以在调用例程中执行此操作：

void loop()
{
Compute();
Output=0;
}

这样，无论 PID 说什么，您都只需覆盖其值。然而，这在实践中是一个糟糕的想法。PID会变得非常困惑：“我一直在移动输出，什么也没发生！给什么？！让我再动一下。因此，当您停止覆盖输出并切换回 PID 时，您可能会立即获得输出值的巨大变化。

解决方案

这个问题的解决方案是有一种关闭和打开PID的方法。这些状态的常用术语是“手动”（我将手动调整值）和“自动”（PID 将自动调整输出）。让我们看看这是如何在代码中完成的：

《代码》

/*working variables*/
unsigned long lastTime;
double Input, Output, Setpoint;
double ITerm, lastInput;
double kp, ki, kd;
int SampleTime = 1000; //1 sec
double outMin, outMax;
bool inAuto = false;
 
#define MANUAL 0
#define AUTOMATIC 1
 
void Compute()
{
   if(!inAuto) return;  // 这里决定开启/关闭PID
   unsigned long now = millis();
   int timeChange = (now - lastTime);
   if(timeChange>=SampleTime)
   {
      /*Compute all the working error variables*/
      double error = Setpoint - Input;
      ITerm+= (ki * error);
      if(ITerm> outMax) ITerm= outMax;
      else if(ITerm< outMin) ITerm= outMin;
      double dInput = (Input - lastInput);
 
      /*Compute PID Output*/
      Output = kp * error + ITerm- kd * dInput;
      if(Output > outMax) Output = outMax;
      else if(Output < outMin) Output = outMin;
 
      /*Remember some variables for next time*/
      lastInput = Input;
      lastTime = now;
   }
}
 
void SetTunings(double Kp, double Ki, double Kd)
{
  double SampleTimeInSec = ((double)SampleTime)/1000;
   kp = Kp;
   ki = Ki * SampleTimeInSec;
   kd = Kd / SampleTimeInSec;
}
 
void SetSampleTime(int NewSampleTime)
{
   if (NewSampleTime > 0)
   {
      double ratio  = (double)NewSampleTime
                      / (double)SampleTime;
      ki *= ratio;
      kd /= ratio;
      SampleTime = (unsigned long)NewSampleTime;
   }
}
 
void SetOutputLimits(double Min, double Max)
{
   if(Min > Max) return;
   outMin = Min;
   outMax = Max;
    
   if(Output > outMax) Output = outMax;
   else if(Output < outMin) Output = outMin;
 
   if(ITerm> outMax) ITerm= outMax;
   else if(ITerm< outMin) ITerm= outMin;
}
 
void SetMode(int Mode)
{
  inAuto = (Mode == AUTOMATIC);
}

一个相当简单的解决方案。如果未处于自动模式，请立即离开计算函数，而不调整输出或任何内部变量。