1.PID基础
1.1开环控制和闭环控制
开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。
例如：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响；投篮——篮球出手后就无法再继续对其控制，无论球进与否，球出手的一瞬间控制活动即结束。
开环控制系统：可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的系统。
举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较，并不断的用手进行调节形成一个反馈闭环控制；骑自行车——同理，不断的修正行进的方向与速度形成闭环控制。
1.2其他专业术语
被控对象：需要控制的对象。例如，温度控制中的加热器、速度控制中的电机等。
目标值（Setpoint）：期望被控对象达到的状态量。例如，温度控制中的期望温度、速度控制中的目标速度。
反馈值（Measured Value）：被控对象当前时刻的状态量。例如，当前的温度、当前的速度。
增益（Gain）：比例、积分和微分部分的放大系数，分别是Kp、Ki和Kd。
输出量（Output）：PID的计算结果，用于调整被控对象的控制力。例如，加热器的功率、驱动电机的电压。
误差（Error）：目标值与反馈值之间的差异。公式为：误差 = 目标值 - 反馈值。
稳态误差（Steady-State Error）：系统在稳定状态下仍然存在的误差。例如，加入干扰后仍存在的误差。
阶跃输入（Step Input）：在系统稳定状态下，目标值发生突然变化。例如，目标温度从20°C突然升高到25°C。
阶跃响应（Step Response）：阶跃输入后，被控对象的响应状态，能够代表系统的控制性能。
瞬态响应（Transient Response）：系统从初始状态到达到稳态的过渡过程，包括上升时间、超调量和调节时
间等。
响应速度（Response Speed）：阶跃输入后，被控对象再次到达目标值的速度。
超调量（Overshoot）：阶跃输入后，被控对象到达目标值后超出目标值的距离。
1.3 PID的结构框图
下图就是PID的信号框图，表示了PID的运行过程：
2.伺服电机
2.1伺服电机原理
伺服电机:是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机的工作原理可以简单概括为：输入控制信号→伺服控制器→伺服电机→输出运动。伺服系统由伺服电机、伺服控制器和反馈装置组成。伺服电机负责产生机械输出力和扭矩，编码器则用于测量电机的位置和转速，并将测量结果反馈给伺服控制器。通过不断比较编码器的测量值和控制信号，伺服控制器可以实时调整电机的输出，以保持所需的位置和速度。
2.2步进电机和伺服电机的区别（外观）
如图（步进只有一个输出线，伺服有二个输出线）：
2.3步进电机与伺服电机的精度区别（伺服电机精度>步进电机精度）
1.步进电机的精度主要取决于步距角度，通常可以精准控制到每个步距角度，但无法实时监测位置误差并进行
修正，因此在长时间运行或复杂应用中可能存在积累误差的情况。（步进开环控制，没有反馈信号）
2.伺服电机通过反馈装置（如编码器）实时监测位置、速度等参数，并根据反馈信号动态调整控制信号，从而
实现更精确的位置控制。这使得伺服电机在精确性方面优于步进电机，可以更好地适应复杂且高要求的控制场
景。（伺服闭环控制，有反馈信号）
伺服电机一般采用三环控制（3个闭环负反馈PID调节系统），主要是为了使伺服电机系统形成闭环控制.
电压映射电流变化，电流映射转矩大小，转矩大小映射转速的变化，转速同时又映射了位置的变化。三环控
制考虑了电气与物理融合，精准、可靠。
2.4步进电机和伺服电机的区别（ 低 频 ）
低频特性（低速运行环境下** 伺服>步进**）
步进电机的低频特性通常指的是在低速运行时的性能表现。步进电机由于其固定的步距角度，通常在低速
运行时具有较高的定位精度和稳定性。在低频率下，步进电机可以准确控制每个步距角度的移动，因此在一些
需要进行精确位置定位和低速运行的应用中表现优异。然而，步进电机在低速运行时可能会出现共振现象，造
成震动和不稳定性，因此需要通过相关控制措施或调节参数来克服这一问题。通过优化步进电机的控制算法和
调整驱动器参数，可以提高其在低频率下的性能表现，满足更高要求的应用需求。
伺服电机在低频特性方面通常具有更好的性能表现。通过反馈装置（如编码器）实时监测位置、速度等参
数，并根据反馈信号动态调整控制信号，伺服电机可以更精确地控制低速运行时的位置和速度。因此，在低频
率下，伺服电机通常表现稳定且精准，适用于需要进行高精度、低速运行的应用场景。此外，伺服电机通常具
有更高的响应速度和动态性能，能够更快地调整和跟踪位置，从而提高系统的控制性能和稳定性。综合来看，
伺服电机在低频特性方面通常优于步进电机，特别适用于对低速运行性能和精度要求较高的应用领域。
2.5步进电机和伺服电机的区别（过载）
过载能力（伺服电机有3倍过载能力）
步进电机与伺服电机的过载能力也是它们在实际应用中的一个重要比较指标。一般来说，伺服电机具有更
高的过载能力，即在瞬时负载增加时能够快速调整并保持稳定运行。这是因为伺服电机可以随时根据反馈信号
进行实时调整，从而更好地应对突发负载变化。
相比之下，步进电机的过载能力通常较低。由于步进电机的固定步距角度以及开环控制模式的限制，步进电机
在面对负载变化时可能无法及时进行调整，容易出现失步现象或无法正确控制位置。因此，在对于需要承受大
负载波动或瞬间过载的应用中，伺服电机更加适用，能够更好地保证系统的稳定性和安全性。
伺服电机在过载能力方面通常优于步进电机，特别适用于对负载波动响应要求高的应用场景。选择合适的
电机类型需要综合考虑其过载能力、精度要求、成本等因素，以确保系统性能和稳定性。
2.6步进电机和伺服电机的区别（响应速度）
步进电机响应速度一般在200~400ms。
伺服电机响应速度几毫秒。
2.7步进电机的调试（拨码）
步进电机是一种用电脉冲控制（数字信号）的电动机，拨码设置可以根据实际需求进行修改，不同情况下拨码的方式也不同。
一般步进电机拨码意义如下：
1.细分拨码——控制角度精度
细分拨码可以控制步进电机的细分数目，细分数目越高，步进电机转动时的角度精度越高，但同时也会降低转
速，增加噪音和发热等问题。细分拨码可以根据需要进行设置，通常有全步进、半步进、四分之一步进、八分
之一步进等几种设置。一般来说，细分越高，步进角度越小，电机的精度越高，但会牺牲一些转速及扭矩。
2.相序拨码——控制步进电机转向
相序拨码可以控制步进电机的旋转方向，通过重新设置相序拨码，可以改变步进电机的转向。一般来说，步进
电机有正转和反转两个方向，使用者需要根据实际需要选择合适的旋转方向。
3.电压拨码——匹配电源
电压拨码可以匹配步进电机的电源和控制器电压，根据需要调整拨码以匹配设备。根据设备的不同需求，可以
选择不同的电压拨码来适配。
2.8步进电机调试方法
步进电机调试过程中，需要注意以下几个问题：
1.设定角度和方向
根据实际需求设定步进电机转动的角度和方向，一般来说，通过编程可以设置电机转动的步数和方向，电机会
按照给定的步数和方向进行旋转。
2.测量输出信号
步进电机的工作状态可以通过测量电机的输出信号来检测，输出信号包括位置信号和电机的驱动信号等。根据
输出信号的信息可以判断电机是否正常工作。
3.调整电机参数
根据实际需要可以调整电机的参数，包括细分步数、电流大小、电压大小等。不同参数的设置会影响电机的工
作状态和精度。
4.调整电流
适当调整电机的电流大小可以改善电机的输出效果，过大或者过小的电流都会影响电机的稳定性和输出精度。
总之，步进电机拨码及调试是步进电机使用过程中必不可少的一部分，需要根据实际需求进行设置和调整以达
到最佳效果。
2.9伺服电机的调试（快速）
一、准备工作
确保电机和驱动器接线正确，上电驱动器无报警，有报警需要查对应驱动器手册，排除报警
二、简单参数设置
1、进入参数设置界面 可通过驱动器手动点击进入SET界面，有电脑可使用厂家软件连接（大部分用后者）
2、设置基本参数
额定功率 额定转速 极对数 哪种控制模式（位置/速度/转矩）一般使位置控制模式，转矩模式在张力控制会
用
3、运行参数设置 （特殊场合需要设置）
加减速时间、速度限制、位置范围限制
4、设置保护参数（特殊场合需要设置）
过流保护、过载保护、过热保护
三、试运行
1、采用伺服软件，点动后看下方向是否正确
2、采用点对点运动看下大致运动的有没有问题，如果伺服运行比较震动，可以采用软件自带的参数自适应调整
模式，运行一段时间，得到最佳参数
根据实际需求设定步进电机转动的角度和方向，一般来说，通过编程可以设置电机转动的步数和方向，电机会
按照给定的步数和方向进行旋转。
2.10伺服电机的调试（三环精调）
1 、电流环
输入：速度环PID调节后的输出（“电流环的设定”）
输出：电机每相的相电流（通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流）；“电流环的设定”和“电流环的反馈”值进
行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机
电流环的反馈：不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环【电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作】PID常数一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需要更改
2 、速度环
输入：（检测的伺服电机编码器的信号得到）位置环PID调节后的输出 和 位置设定的前馈值（“速度设定”）
输出：“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出（“电流环的设定”）
速度环的反馈：编码器的反馈后的值经“速度运算器”得到
速度环控制时就包合了速度环和电流环，换句话说任何形式都必须使用电流环，电流环是控制的根本
在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制
主要进行PI（比例和积分），比例就是增益
要对速度增益和速度积分时间常数进行合适的调节才能达到理想效果。
3、位置环
输入：外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外）
经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”
输出：“位置环的设定”和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出输出和位置给定的前馈信号的合值构成“速度环的设定”位置环的反馈：自于编码器主要进行P（比例）调节，只要设定位置环的比例增益就好。
4、参数调节
1、没有固定的数值，要根据外部负载的机械传动连接方式、负载的运动方式、负载惯量、对速度、加速度要求以及电机本身的转子惯量和输出惯量等等很多条件来决定。
2、简单方法：根据外部负载的情况进行大体经验的范围内将增益参数从小往大调，积分时间常数从大往小调，以不出现震动超调的稳态值为最佳值进行设定。
3、位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环（此时位置环的比例增益设定在经验值的最小值），调节速度环稳定后，再调节位置环增益，适量逐步增加。位置环的响应最好比速度环慢一点，不然也容易出现速度震荡。
要使电机位置定位稳定不发生震动，每个环中的比例与积分起着稳定决定性作用，而微分的决定了启动响应速度微调。
