2025年3月23日电子电工实验室讲课大纲

  哈喽，小伙伴们大家好，今天我们来讲一下PID！首先我们的针对的场景是什么——循迹小车！

        就是我们刚入手STM32时，我们可能会制作一个循迹小车。我们想让那个小车走直线，但它怎样才能走直线呢？你给他设置两个相同的PWM，它能不能走直线呢？不能吧，因为两个轮子制作工艺在微观上它是不可能完全一样的，也是这个原因造成了我们的两个轮子。

        它速度不一样，可能，你一放下去，这个车就走成一个圆了，对不对。所以我们就要引入我们的一个PID公式来使我们的车走直线。然后基本的原理呢，其实通过不断地改变作用到电机的PWM量，使两个轮子速度看起来一样。

        先来看一下PID，它到底是什么东西吧，看这里！有浏览器搜索到的结果，它说。是一个控制系统中。通过三个项的组合来输出一个值，然后控制我们的系统稳定。嗯……也就说它是一个公式了。

通过调节作用到电机的PWM值来使两个轮子的速度一样，从而走直线……

       好，那我们看一下这个PID原理图啊，这里是说。这个是我们的一个目标值，然后通过三个项后输出一个值作用到我们的一个东西上，然后再输出作用到某一个东西上，然后呢，这里是一个反馈值。那针对于我们的小车这个场景啊，目标指的是什么？速度吧。输入一个目标速度，输出的是PWM吧，然后作用到什么地方上，是作用到电机上吧。对，然后反馈就是什么？反馈就是我们的编码电机，或者说你用到其他的那些可以测速的传感器测到的一个轮子的转速，就相当于我们的实际速度，是吧？！

 我们来看一下代码公式，一般我们调节系数时，其他设为0，先改变我们的P。

这是我们的PID核心部分。可以看到说我们通过P这个系数乘以一个误差，然后得到了一个输出结果。然后误差是什么？是我们的一个to get，是目标速度减去我们的实际编码编辑获取到的一个速度。也就是说我们这个函数它是有输入两个参数的。得到的误差*P之后输出一个结果，也就是PWM输出结果。然后这个一部分呢我们先不看好，回过头来我们来看一下。

     

 好，然后我们打开WPS，来简单演示一下这个公式。为什么要用到这个WPS呢？这是我当初在一个也是在B站上刷到的一个博主，他用这个讲的，我觉得讲的特别的好，可以说是启蒙老师啊。那我就长江后浪推前浪，我再来讲讲。嗯……首先看一下这是P项的系数啊，这是D项的系数呀，

        这是一个干扰。干扰是什么？就比如说我们的小车在行驶过程中可能会遇到一个坡度啊，这会不会对我们的速度有结果有干扰，然后是我们的轮子的一个摩擦力啊，它是不是干扰？它们会直接影响到我们的速度，对不对？

好，I也是一个作用项，然后这个图是什么呢？横轴是我们第几次执行后的结果一个坐标，就看做是时间就行了。也就是说我们的PID公式啊，在某一次在程序执行的过程中，它会输出一个结果嘛！这个图就相当于把这个结果图形画出来了。

       我们来看一下吧，目标是100，也就是说我们的可能目标速度就是100。然后我们的初始值，也就是说我们的初始速度可能是0。嗯，我们的P就是一个系数，就是这条曲线的我为达到目的的这条曲线的斜率一样。

我们通过改变这个P可以让我们很直观的感受到我们达到目标值的时间变短了。但它如果它比较大呢，会遇到一个什么问题？比如说我们设置到一看看，这个曲线变陡了，但这个没什么关系。如果说如果说我们给他设到2呢，哎这是为何？你猜一下？我们的误差有100的时候，它的补偿就是200。然后我们的目标是目标值是100，哎，他却已经达到200。那这个时候我们就是要到下一次执行的时候呢，它就是-100，也就是说它成了一个这样的形状，看到没有？它成了一个这样的形状。过度补偿了，就导致我们的电机可能就会一下正转、一下反转。那这种情况下我们也就是说我们调节这个P参数了。P越小的话应该是比较好调的。但是你也可能要看实际情况，具体情况具体分析。好，我们再改回来，改成0.9吧。当然我们这个WPS上只是简单讲解一下它的原理啊。

好，我们可以看到一个P好像就已经实现到了我们的目的，从0到100。可惜呀我们还有干扰啊，在实际开发的过程中，我们肯定是有很多很多干扰的。然后这个干扰就会导致什么？我们要达到100，但是因为一个干扰，它达不到那个100了。因为我们的干扰是作用到结果上的。

好，那这个时候我们就引入到了另外一项了，也就是我们的这个积分项，通过对当前时刻、以前的误差进行一个求和乘以 我们那个系数。然后再作用回我们的补偿上。好，我们先给大家看一下效果，0.1，这个东西不能太大！好，挺好的。我们的曲线在干扰的作用下，也达到了我们的目标结果。

这样我们就达到了循迹小车走直线的目的了吧。最后，我们再来看一下，D的作用是什么吧。就是说当我们的I比较大的情况下呢，形成了什么样的效果？就因为刚开始的时候误差比较大，然后我们积分的补偿也比较大。在实际开发过程中，我们的PID代码可能是十几ms运行一次，积分是对误差的一个累积嘛，短时间内不调节好就会爆炸式增长，此时就可能是积分项做主导作用到我们的补偿上。然后输出结果就有点过度补偿了。然后这种情况下我们就通过改变一个D看一下效果啊。我们记住它这个地方最大值是多少，最大值是xxx，那我们就用一个D，来使变化量平缓一点。你看我们通过一个D抑制了增大，对吧？这就是我们的微分效果，就能这个抑制这个突然增大的那种毛刺的那个东西，因为变化量越大，他的值也就越大。好了，我们的PID就这样讲完了。

注意我们在实际的使用当中，对于小车直线行驶的这个场景，D我们一般是不用的。这个是PID应用的一种、也叫速度环，也就是我们只需要控制它的速度的话，前面这两个参数就够了。也许加上D的话可能效果更好吧，但是无疑大大增加了参数调节难度，不如只用前面两个参数。

使用PID公式的细节：

1.限制PID输入到电机的PWM范围（不可越界）

2.代码执行语句放在哪里执行？ 

一般我们是放在中断里面。不能放主函数里。因为主函数的执行周期会随着代码量的改变而改变

代码执行语句的周期是越短越好，但太短也造成CPU处理资源的浪费，不是么。

3.参数调节——可以使用上位机，比如匿名上位机

在小车运行的过程中，通过串口输出一个数值到上位机，上位机读取后在坐标轴上显示出来。还能边运行边参数， 提高效率。甚至还有大佬开发了自动调参的上位机（当然，也需要手动优化）