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基于STM单片机的平衡车设计研究
彭博涵朱慧珠张清李玉洁摘要:系统出现了误差,就要对它进行纠错,让它能按照稳定的状态运行,通常在自动控制理论中,有3种常用的调节手段—P(比例调节)、I(积分调节)、D(微分调节),简单来说,就是把这3种调基于STM单片机的平衡车设计研究
彭博涵朱慧珠张清李玉洁摘要:系统出现了误差,就要对它进行纠错,让它能按照稳定的状态运行,通常在自动控制理论中,有3种常用的调节手段—P(比例调节)、I(积分调节)、D(微分调节),简单来说,就是把这3种调节手段通过数学方法结合起来组成一个系统完备、逻辑严谨的公式,运用到控制系统中,这就是PID算法。使用PID时我们通常设计3个参数运用到公式中,来体现比例、积分、微分的调节作用,通过控制这3个参数,就可以逐渐调节控制系统使其趋于稳定,达到想要的效果。
关键词:比例-积分-微分算法;自动控制理论;平衡车;单片机
1PID算法之于控制系统
其实提起比例-积分-微分(ProportionIntegralDerivative,PID)算法,学习自动化控制系统和单片机开发的朋友也许并不陌生,文章根据近几个月的了解学衡車上的应用,浅谈学习经验以及对PID算法的看法,希望为刚入门的学习者们提供一些帮助。

目前,PID算法是最普遍最简单的一种调节控制系统的手段,若是希望自己做出来的电子产品更加稳定,必须辅助运用各种各样的调节手段。当然,随着大数据的发展以及深入学习的推广,仅一个PID算法是远远不够用的,但是如果想从各式各样的算法开始学习的话,PID就是敲门砖,是学习各式丰富控制理论的第一步。

PID算法是有公式的,对于急不可耐想立刻利用PID算法的学习者,只需要掌握公式如何运用即可,至于公式是如何总结出来的,文章不再详细赘述,如果想要深入了解的话建议学习自动控制理论系列的读物以及高等数学。

使用PID时,通常设计3个参数运用到公式中,来体现比例、积分、微分的调节作用,通过控制这3个参数,就可以逐渐调节控制系统使其趋于稳定,达到想要的效果。
P—KP—比例调节的作用体现为快速性,是对系统偏差的瞬间反应,KP越大,系统反应越快,振荡越大。
I—KI—积分调节的作用体现为准确性,其作用在于消除系统偏差,KI越大,系统越准确稳定,但响应时间会变慢。
D—KD—微分调节的作用体现为稳定性,其作用在于阻止偏差的变化,微分调节不仅要对系统偏差作出快速响应,还要根据偏差的变化趋势消除偏差,是非常重要的调节参数。

两个公式都是对系统误差进行的数学运算,增量式公式中与系统前一次的误差E(k-1)和前两次的误差E(k-2)有关。而且此公式应用时控制的不是输出量,而是输出量的增量,与积分环节无关。适用于步进电机的调节,尤其适用于没有积分环节的控制系统。
位置式公式中与系统前一次的误差E(k-1)和误差的累加值ΣE(k)有关,其输出与整个系统的过去状态有关,是对系统每一次不同状态的分析和调整,对系统本身有着较大的影响,适用于一切控制系统[1]。
2PID算法应用—平衡车设计方案


STM系列芯片