1、編輯導(dǎo)語：PID控制算法應(yīng)該是比較常見和廣泛應(yīng)用的一個算法了，常用于無人機、平衡車等，進行速度、狀態(tài)的控制；本文作者分享了關(guān)于自動控制算法 PID 的原理和用途，我們一起來看一下。生活中的一些小電器，無人機的飛行姿態(tài)和飛行速度控制等等，都應(yīng)用到PIDPID 控制在自動控制原理中是一套比較經(jīng)典的算法。我們常見到這類設(shè)備，只不過沒有留心或者發(fā)現(xiàn)了沒有深入探究以及主動搜索一下其中的原理而已。為什么說產(chǎn)品經(jīng)理需要保持強烈的好奇心？發(fā)現(xiàn)生活、身邊的美，探究一下為我所用。比如我們家里的恒溫熱水器、小米的平衡車，我們常常說的自動駕駛、無人機、掃地機、大火的服務(wù)機器人等等產(chǎn)品上有廣泛的應(yīng)用。不管你學(xué)沒學(xué)過控制

2、理論，只要涉及到機電一體化系統(tǒng)，一定會接觸到PID 控制算法。為什么需要PID 控制器呢？你一定用過恒溫熱水壺，你想讓熱水壺的水保持在一個恒定的溫度，回到家拿起來就喝，不需要慢慢等水燒開再等到水冷卻到適合咕咚咕咚喝的溫度。這時候就需要一種算法先將水溫加熱到目標位置附近，能夠 “預(yù)見 ”這個水溫的變化趨勢，然后還能根據(jù)各種環(huán)境影響因素造成誤差去調(diào)節(jié)以維持設(shè)定目標。當然，熱水壺不需要那么高的精確度，可能只用 PD 就搞定了。那，比如自動駕駛中控制汽車維持在某個設(shè)定的速度行駛，或?qū)⑵嚤３衷谝粋€固定車道內(nèi)行駛，這就需要非常精準。這下你知道 PID 到底是個什么東東了吧！接下來，我們了解一下他的原理。

3、PID,即比例Proportion、積分Integral和微分Derivative三個單詞的縮寫； 比例積分微分控制，簡稱PID 控制。簡單講，根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。常規(guī) PID 控制器作為一種線性控制器。常規(guī)的PID 控制原理圖：系統(tǒng)由PID 控制器和被控對象（常常是執(zhí)行機構(gòu)，如電機等）組成。現(xiàn)在知道了 PID 控制器是怎么工作的，那么為什么需要比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)呢？具體有什么作用呢？從時間的角度講，比例作用是針對系統(tǒng)當前誤差進行控制，積分作用則針對系統(tǒng)誤差的歷史，而微分作用則反映了系統(tǒng)誤差的變化趨勢，這

4、三者的組合是 “過去、現(xiàn)在、未來” 的完美結(jié)合。引述百度的標準解釋：例子稍微極端一點兒，假設(shè)你在高速公路上想跟著你前面的車100 米的距離跑，并且假設(shè)你前面的車是自動駕駛的定速巡航。這時，你把三個環(huán)節(jié)想象成你自己=比例，你另外的兩個兄弟，一個是微分，一個是積分。現(xiàn)在你們倆的車相距300m,你一腳油門下去，車子急加速開始逼近目標。你的車慢慢靠近100m 這個目標。這時，你的兄弟微分說： “兄弟，慢點慢點！快要接近了 ”。這就是微分的作用，對未來的判斷和控制。你肯定不會一次性就將這個跟車距離調(diào)整好了。可能你一會兒小于100m ，一會兒你又大于 100m 跟蹤距離。就這樣你跟你兄弟這樣來來回回的調(diào)整

5、，終于將跟車距離調(diào)整在 100m 左右這樣的距離（比較極端哈，人為是不可能做到的）。可是路上有坑洼呀、有風阻、還有上坡這樣的環(huán)境干擾因素。這時，你那個好久沒說話的兄弟積分起作用了，他一直在監(jiān)視你這段平穩(wěn)駕駛（ 100m 跟車的穩(wěn)定狀態(tài)）狀態(tài)的誤差，然后進行計算，告訴你給多少油門。至此，我想應(yīng)該對 PID 有了初步的認識。接下來通過一個稍微詳細點兒的例子了解一下 PID 三個環(huán)節(jié)是如何工作的。我們就用比較火熱的自動駕駛來簡單舉例，那自動駕駛很直觀的就有兩個應(yīng)用，一個是保持固定的車道行駛，一個就是保持固定的速度行駛。保持固定的車道就是控制方向盤，保持固定速度就是控制油門；這兩個都比較直觀，我們就用

6、固定速度（定速巡航）來簡單舉例。定速巡航也是非常成熟的技術(shù)了，在很多中低端車型上已經(jīng)成了標配。現(xiàn)在我們想讓我們的車在高速公路上保持 100km/h 的速度行駛，當前速度是 40km/h。想要到達 100km/h 有三種執(zhí)行方式：分別對應(yīng)的 P 值是：較大、中等、較小。直觀的反應(yīng)對比如圖：從圖中可以看出：說到這兒你可能就明白了。車輛的反應(yīng)速度和耗費時間的長短取決于 P 值的大小 也就是 P 值越大，車輛反應(yīng)越快，耗時越短。P 值大，雖然反應(yīng)快，但是反應(yīng)劇烈，類似于猛加速，坐在汽車里有強烈的推背感；相應(yīng)的當靠近目標的時候，由于慣性容易沖過頭，并且為了抑制過大沖過頭就需要猛烈的踩剎車，乘坐的人就身體

7、向前傾。另外由于慣性比較大的原因，車輛需要更長的時間才能調(diào)整到恒定100km/h 的速度，因為車輛需要較長的時間來調(diào)整震蕩。這樣的乘坐體驗就不是很好，這就需要我們設(shè)置一個合理的 P 值，車輛的反應(yīng)不那么劇烈，反應(yīng)時間你也能夠接受。類似于你開汽車，你用 S 檔（有的叫運動檔，有的叫超車檔）超車，較大的功率輸出，較快的提速，然后切換到 D 檔（行車檔）維持；你可以感受一下，同樣的油門， S 檔與 D 檔的反應(yīng)不一樣， P 值設(shè)置不一樣。好了，既然有了 P 為什么還需要D 呢？人類的欲望是無止盡的，總希望越多越好，越快越好（前提是付出的越少 越好）。這時就引入一個D ，反應(yīng)速度再快一點兒，但是反應(yīng)又

8、不那么劇烈；也就是在中等的 P 值前提下，比只有P 的情況下更快的到達100 的速度（用時更少），但是車輛又不劇烈的震蕩（比沒有D 的時候更溫和）。為了不讓車輛速度沖過頭，我們再給他一個反向的減速度。就是讓車輛在越接近 100 的時候，車速解決100 的速度越慢；與100km/h 差距越大的時候，接近速度越快。注意，這個速度不是車輛的行駛速度，是達到目標速度100 的時間長短。這點兒可能不太容易理解，這個相當于你車速已經(jīng)到了 90km/h,為了防止過沖，這時候你開始松油門，松的比較快；當?shù)竭_95km/h 的時候，你油門松的就比較慢。D 值的設(shè)置也有三種情況：直觀的反應(yīng)對比圖：P 值不變的前提下

9、 D 值影響的變化表現(xiàn)。D 值太大了，減速度就大了，也可以理解為靠近目標速度100 的阻力大。那這樣達到目標耗費的時間就較長。D 值太小了，雖然能夠較快的達到目標，但是D 值對 P 的影響力不夠，容易過沖，并且需要經(jīng)過多次調(diào)整才能進入穩(wěn)定狀態(tài)。在 P 和 D 的相互作用，調(diào)節(jié)控制下，最終得到的理想狀態(tài)是這樣的。既能在較快時間內(nèi)達到目標，又不會使得反應(yīng)劇烈造成不適感。有了P 和 D 是不是很完美了呢？貌似很完美，但是我們希望更加完美就需要引入一個I 進入。有了P 和 D 貌似已經(jīng)很完美了，但是這個世界是不穩(wěn)定的，沒有一直保持不變的狀態(tài)，正如那句話 “一切都不在變化，唯一不變的只有變化 ” 。你終

10、于將你的車輛穩(wěn)定在 100km/h 之后，但是依然有來個方面的影響因素，內(nèi)在和外在。內(nèi)在的是，你車輛的燃油效率是在變化的，外在的是風阻、路面狀態(tài)（比如摩擦比、平整度、微小的坡度等）都在變化，這些干擾因素都在影響你車輛的恒定目標速度。所以， I （積分）就介入檢測過去一段時間內(nèi)車速狀態(tài)，然后進行積分，適當?shù)膸椭?P 一把。I 值設(shè)置也有三種情況：直觀的反應(yīng)對比圖：以上就是 PID 三環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)，使得被控制對象能夠達到一個穩(wěn)定平衡的運行系統(tǒng)。最后，用一個動圖，看看三者之間的關(guān)系。其實我們在在日常生活中能看到很多產(chǎn)品都有PID 的運用，但并不是都會將 PID 三個調(diào)節(jié)都用上。不同的產(chǎn)品根據(jù)不同的使用環(huán)境，做相應(yīng)的調(diào)整； P 是一定要用的， I 和 D就是看系統(tǒng)響應(yīng)速度，輸入震蕩程度等情況，根據(jù)實現(xiàn)效果和控制精度等進行相應(yīng)的取舍。當然，也有工程師工程技術(shù)能力的因素，以及怎么設(shè)計的問題。比如，很早以前，我用過一個某大牌的三軸手持云臺，我在沒有裝載手機的情況下開機，三軸開始亂轉(zhuǎn)，這就是設(shè)計的問題；在開機的時候，目標與現(xiàn)狀差距很大，這時