為什么這個 LinqPad 程序在第二次運行時會產生不同的結果？

Question

我正在 LinqPad 中開發一個簡單的 PID 控制器：

PID 類

class PidController
{
    public float Proportional { get; set; }
    public float Integral { get; set; }
    public float Derivative { get; set; }
    public float SetPoint { get; set; }
    public float Kp { get; set; }
    public float Ki { get; set; }
    public float Kd { get; set; }

    float _lastError;
    DateTime _lastTime = DateTime.Now;

    public PidController(float kp, float ki, float kd)
    {
        Kp = kp; Ki = ki; Kd = kd;
    }

    public float GetControlValue(float actual)
    {
        var currentTime = DateTime.Now;
        var deltaTime = (float)(currentTime - _lastTime).TotalSeconds;
        var error = SetPoint - actual;

        Proportional = error;
        Integral = Integral + error * deltaTime;
        Derivative = (error - _lastError) / deltaTime;

        _lastError = error;

        return Kp * Proportional + Ki * Integral + Kd * Derivative;
    }
}

為了測試和調整，控制器將控制這個簡單的過程：

受控過程

class SimpleProcess
{
    private DateTime _lastTime = DateTime.Now;
    private float _output;

    public float Output { get { UpdateOutput(); return _output; }}
    public float Input { get; set; }

    private void UpdateOutput()
    {
        var deltaTime = (float)(DateTime.Now - _lastTime).TotalSeconds;
        _output += Input * deltaTime;
    }
}

...使用這個主循環：

主程序循環

void Main()
{
    var pid = new PidController(1f, 0f, 0f) { SetPoint = 100f };
    var proc = new SimpleProcess();

    // pid.Dump();
    // proc.Dump();

    var values = new List<ProcessValue>();

    for (int i = 0; i < 50; i++)
    {
        var actual = proc.Output;
        var controlValue = pid.GetControlValue(actual);
        proc.Input = controlValue;

        var value = new ProcessValue
        {
            index = i,
            timestamp = DateTime.Now.ToString("ss.fff"),
            p = pid.Proportional,
            i = pid.Integral,
            d = pid.Derivative,
            input = controlValue,
            output = actual
        };

        values.Add(value);

        Thread.Sleep(100);
    }

    values.Dump();
}

public class ProcessValue
{
    public int index;
    public string timestamp;
    public float p, i, d, input, output;
}

第一次運行時一切都按預期工作：

index  timestamp  p      i       d         input output
0      53.309     100    0.46    21490.59  100   0 
1      53.411     89.69  10.06  -96.27     89.69 10.30 
etc...

但是，在我注釋掉proc.Dump()行后，我開始在第二次和后續運行中得到意想不到的結果：

index  timestamp  p    i    d    input  output 
0      10.199     100  0    ∞    NaN    0 
1      10.299     NaN  NaN  NaN  NaN    NaN 
2      10.399     NaN  NaN  NaN  NaN    NaN 
etc...

為什么第二次運行（和后續運行）在我的情況下返回不同的結果？

以下任何操作都將導致下一次運行成功：

• 修改代碼（甚至只是添加/刪除一個空格）
• 按 [CTRL]+[SHIFT]+[F5]

以下使代碼每次都能正確運行：

• 取消注釋行proc.Dump()

這個答案提到靜態變量將在運行之間緩存，但我沒有靜態變量。 我懷疑問題是關系到LinqPad應用程序域緩存功能，但我想知道為什么我受此影響。

更新

StriplingWarrior 的回答是正確的，我的一階導數計算在系統運行良好時（即在 LinqPad 緩存第一次運行之后）導致 Infinity，導致所有后續計算失敗。 以任何方式修改我的程序都會使這個緩存失效，並導致 deltaTime 足夠大，以避免在下次運行時再次出現錯誤。

由於導數項在第一個區間沒有意義，我決定通過簡單地忽略它來處理這個問題：

var p = Kp * Proportional;
var i = Ki * Integral;
var d = float.IsInfinity(Derivative) ? 0 : Kd * Derivative;

return p + i + d;

Answer 1

您可以通過更改 main 方法的第一部分來測試 Andrew 在上面的評論中的理論化：

var sw = new Stopwatch();
sw.Start();
var pid = new PidController(1f, 0f, 0f) { SetPoint = 100f };
var proc = new SimpleProcess();

// pid.Dump();
// proc.Dump();

var values = new List<ProcessValue>();

for (int i = 0; i < 50; i++)
{
    var actual = proc.Output;
    var controlValue = pid.GetControlValue(actual);
    if(sw.IsRunning){
        sw.Stop();
        sw.ElapsedTicks.Dump();
    }

在我的機器上運行，我可以看到第一次運行需要 10,000+ 滴答，而第二次運行只需要 20 滴答。 我猜這會使您根據 DateTime.Now 的差異進行計算。現在的增量值非常小，並產生您所看到的差異。