用一颗学美术的心来理解PID调节

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。
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