# PID Adjustment

## 一、什麼是 PID ?

要來調 PID 前，總該先知道什麼是 [PID](https://www.youtube.com/watch?v=VRUSG7G58yY) 吧!

> The PID controller is a commonly used feedback controller consisting of proportional, integral, and derivative terms, hence the name. This article will build up the definition of a PID controller term by term while trying to provide some intuition for how each of them behaves.
> | $$r(t)$$ | setpoint | $$u(t)$$ | control input |
> | -------- | -------- | -------- | -------- |
> | $$e(t)$$ | error | $$y(t) $$ | output |

>**Proportional Term 比例項**
>Proportional gains act like a “software-defined springs” that pull the system toward the desired position. Recall from physics that we model springs as F = -kx where F is the force applied, is a proportional constant, and is the displacement from the equilibrium point. This can be written another way as F = k(0-x) where 0 is the equilibrium point. If we let the equilibrium point be our feedback controller’s setpoint, the equations have a one to one correspondence.
>

> **Derivative Term 導數項**
> A PD controller has a proportional controller for position and a proportional controller for velocity. The velocity setpoint is implicitly provided by how the position setpoint changes over time.
> 

> **Integral Term 積分項**
> The Integral term accumulates the area between the setpoint and output plots over time (i.e., the integral of position error) and adds the current total to the control input. Accumulating the area between two curves is called integration.
> 

> 

> 資料來源：https://docs.wpilib.org/en/stable/docs/software/advanced-controls/introduction/introduction-to-pid.html

## 二、執行步驟

### 1. 先定義要調整PID的馬達控制器 （最好只寫要調整的馬達就好）

WPI_TalonFX masterShooter = new WPI_TalonFX(6);
WPI_TalonFX slaveeShooter = new WPI_TalonFX(5);

▲ 設定PID的馬達控制器的程式範例

### 2. 若是該裝置由兩顆馬達一起控制，則須將跟隨也寫入程式
(且要注意是否需要設定反轉)

slaveeShooter.follow(masterShooter);

masterShooter.setInverted(true);
slaveeShooter.setInverted(false);

▲ 設定馬達控制器跟隨與設定馬達反轉的程式範例

### 3. 在程式中加入下列程式用來將馬達控制器的數值回傳到SmartBoard/ShuffleBoard(記得將程式寫在robotPeriodic中，才會不斷讀取新數值)(可在一開始將位置歸零以方便觀察)


▲ 上圖為將馬達控制器讀取到的數值呈現在Shuffle Board/SmartDashBoard的程式範例


▲ 上圖為將馬達控制器的encorder的位置數值設為0的程式

### 4. 連上機器人並開啟driverstation-shuffleboard(建議選擇shuffle Board)


▲ 上圖為開啟Driver Station並開啟Shuffle Board的範例

### 5. 開啟shuffleBoard並將預設數值全部刪除

### 6. 開啟左側欄，選擇需要的數值按右鍵叫出show as : Graph 和 show as : Text View (如Position 則不須叫出圖表)


▲ 上圖為Shuffle Board的左側選單顯示與拉出圖表與數值的例子


▲ 上圖為完成叫出所有需要的數據和圖表時的情形

### 7. 開啟Phoenix Tuner並連上機器人，並切換到CAN Device頁面


▲ 上圖為開啟Phoenix Tuner並轉到CAN Device的情形

### 8. 點選要設定PID的馬達控制器，在左旁的Config選單中找到slot0的部分


▲ 上圖顯示點選要設定PID的馬達後在左方的Config中找到Slot0的範例

### 9. 右邊選到Control，在Control Mode 為Percentage Output時，先調整中央拉條，再到ShuffleBoard觀察需要的速度(在調整拉條時要先將driver station 設定成enable 再將Phoenix Tuner 設定成 Control Enable)


▲ 上圖為使用Percentage Output尋找合適速度的範例(Phoenix Tuner)


▲ 上圖為用Percentage Output尋找適合的速度時，要到Shuffle Board來看確切數值以進行設定的範例

### 10. 將Control Mode調整到Velocity的部分，並將set output to MAX 的值調整成剛才決定好的值，將set output to MIN 的值調整成負的剛才決定好的值，並將PID0: 中的選項調整成要調整的slot


▲ 上圖為要開始調整PID時的Control面板的範例(需改變的地方有Control Mode 、Set Output to Max、Set Output to Min、PID0)

### 11. 先從KP值開始調，在調整KP時先從很小的值開始(10^(-6))，調整完後要點選下面的save


▲ 上圖為調整KP的範例

### 12. 調整中央拉條，將中央拉條拉到最大值，到ShuffleBoard觀察是否有達到期望的速度

### 13. 若沒有，則再將KP值調大(建議以10倍為單位)，並重複測試，直到該KP值有辦法很接近(但小於)期望的數值，之後再慢慢加大KP值直到速度無法再上升(通常就算KP值再調大，也會跟期望值有些許的差別。無法達到期望值，這時候就要藉由設定KI值來達到期望值)


▲ 上圖為只調整KP值時的圖形與數值，可看出既使達到速度最大值時，也無法觸及我們設定的期望值

### 14. 設定KI值時也要從極小的數值慢慢往上調(以10倍為單位)，並重複測試，讓速度能夠提升到期望值，在KI值很小時，會有比較不明顯的變化，但是若是數值太大，則會造成速度突然衝太高

### 15. 有時候若是將KP和KI都調整好之後，數值就已經很完美，則就不用再繼續調整KD值


▲ 上圖為調整KP、KI的範例


▲ 上圖為設定完KP值和KI值的情形

### 16. 若是調整完KI值，速度曲線衝過期望值的現象，再考慮進一步調整KD(這情況通常可以藉由將KI的值調小來解決，不過，有時候為了加快速度提升的速度會將KI值調整的略大，這時候再利用KD控制)


▲ 此圖為調整完KP和KI值後，仍建議調整KD的圖形情形


▲ 上圖為設定過高的KI值時會產生的突然提速現象

### 17. 由於KP和KI都是讓速度提升，但KD是讓速度下降，所以在調整KD值的時候，建議從1開始，以10倍為一單位往上測試


▲ 上圖為調整KP、KI、KD的範例


▲ 上圖為完成調整KP值、、KI值和KD值後呈現的完美數值

## 三、注意事項

* 若該機構是由多個馬達控制，則在設定PID時要一次將所有有關聯的馬達一起設定
* 調整拉條時必須先把拉條歸零，在到Driver Station開啟Enable後才到Phoenix Tuner開啟Enable，才可慢慢移動拉條

* 在機器Enable時，手不可以去轉動正在設定的馬達，否則可能因為KP值過大導致馬達迅速迴轉導致手受傷
* 調整KP值和KI值時務必從小數值開始測試，以免馬達突然超高速旋轉使的馬達內部出現損毀


▲ 此圖為注意事項

## 四、QA時間

:::info

Q：為何要設定PID，不能直接使用Percentage Output?

A：因為如果使用Percentage Output，馬達的轉速會因為電池的電壓下降而降速，特別是射球這類需要固定轉速的馬達非常建議設定PID
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:::success

Q：為何一開始要將Shuffle Board上的數值全部移除，無法沿用系統預設讀值

A：
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