用一颗学美术的心来理解PID调节
3 个月前
相信大家小时候都画过美术作品吧？（什么？你还是宝宝？）没关系，不管你是文科、理科、工科、艺术还是家里蹲的，这篇文章对你来说一定会简单到爆炸的。
这种图(↑)大家都会画吧？什么？你不会？那这样的(↓)呢？
我的天？你还不会？那我降低要求，给你支笔，让你对上面那张图涂颜色好了。（一脸嫌弃）
什么？你就涂成这样？竟然还有留白？
好吧，我不怪你。给你一只细一点勾线笔的笔好了。
你就把图搞成这样啊？竟然还有涂到外面去的？再给你一块橡皮好了，这下总好了吧。
泡老师：嗯，我很满意。那么下课了！
同学心声：（啊？这就下课了啊）
泡老师：当然不是。
同学心声：（你怎么听到我的心声的？？？黑人问号）
泡老师：开玩笑的（hhhh）。
下面我们就来看看PID好了，我们上面是不是用了三种工具？
现在我们开始取名字。第一支粗的笔叫P,第二支细的笔叫I,橡皮擦叫D。
大家发现没有P其实是一个很粗的刷子，它可以帮助我们快速的把大面积的色块刷完，这样的话，我们画图的速度就会很快，但一个不小心就会超出本来应该画图的区域。I是一支细的笔，可以帮助我们完善由于P而造成的留白。D是一块橡皮擦，可以补救擦除那些超出画图区域的画笔。要完成这样的效果，我们会发现一个特点。为了快，P画刷必须大，I橡皮擦必须比P画刷小，同时D要比I小一点，这样效果才会比较好。对于不同的涂色区域，我们也会对三者有不同的要求，如果是一张很大很大的图，势必这三个工具本身绝对尺寸就需要很大。反之，如果图很小，三者也同时要求很小。对于不同的边界，我们也需要调节这三者的相对大小，来适应图的具体特点。
好，我们现在把刚才说的东西套到PID调节里，我们PID在控制里，P代表比例环节，I代表积分环节，D代表微分环节。比例环节可以使得我们的控制系统快速接近希望的性能附近（也就是上面说的希望把区域涂满色），这时候积分环节可以让操作更加精确，同时微分环节D可以把超过预定的量的部分（这个部分专业称为超调量）给消除。三者配合，就可以让我们的性能达到预期性能。由于每个任务要求不同（比如图太阳内部和外焰的绝对体积大小、涂色曲面差异），我们需要认真选择三个环节的大小，也就是工业上俗称的调参来适应复杂多变的任务。
比如：我们画图时候就可以选择粗笔的大小，勾线笔的大小，以及橡皮擦的大小。
这时候，我们发现对于有些系统控制对超调量要求不是很高的，可以采用PI（粗笔+勾线笔）控制。对于那些可以在预定值附近的，可以采用PD（粗笔+橡皮擦）控制。实际上，我们也可单独用P（粗笔，大不了不那么精确），单独用I（勾线笔，大不了慢一点），但不可以单独用D（橡皮擦，都没画怎么能擦呢？）
当然，用PID（粗笔+勾线笔+橡皮擦）肯定是最吼的。但是？穷画家也要考虑成本，工业上更需要根据需要权衡利弊（trade-off），所以一切要以技术性和经济性的综合考虑来选择控制方式。
所以，这里给大家看一副极为土豪的画。
看到这里相信大家应该对自动控制原理的核心——PID控制有了一个很清晰的认识。但是我们是否所有时候都需要让涂色都这么完美完成呢？比如第一幅图，人家就没有很严格的去涂色，但很好的视觉效果。所以，这里需要打一个问号（？）欲知后事如何，且听下回因式分解。