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pid什么意思（自動(dòng)控制算法 PID）

生活中的一些小電器，無人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行速度控制等等，都應(yīng)用到 PID——PID 控制在自動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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?zé)崴?、小米的平衡車，我們常常說的自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、掃地機(jī)、大火的服務(wù)機(jī)器人等等產(chǎn)品上有廣泛的應(yīng)用。

不管你學(xué)沒學(xué)過控制理論，只要涉及到機(jī)電一體化系統(tǒng)，一定會(huì)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?zé)崴畨?，你想讓熱水壺的水保持在一個(gè)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(shí)候就需要一種算法先將水溫加熱到目標(biāo)位置附近，能夠“預(yù)見”這個(gè)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(biāo)。

當(dāng)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(dòng)駕駛中控制汽車維持在某個(gè)設(shè)定的速度行駛，或?qū)⑵嚤３衷谝粋€(gè)固定車道內(nèi)行駛，這就需要非常精準(zhǔn)。

這下你知道 PID 到底是個(gè)什么東東了吧！

接下來，我們了解一下他的原理。

一、什么是 PID及其原理 什么是 PID

PID，即比例 Proportion、積分 Integral 和微分 Derivative 三個(gè)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(shí)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(jìn)行控制。

常規(guī) PID 控制器作為一種線性控制器。

PID 原理

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(jī)構(gòu)，如電機(jī)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(gè)環(huán)節(jié)呢？具體有什么作用呢？

比例環(huán)節(jié)：當(dāng)被控制對象現(xiàn)狀與目標(biāo)有差距的時(shí)候，控制器就產(chǎn)生一個(gè)控制使得被控制對象向目標(biāo)靠近。所以這是根據(jù)目標(biāo)差距進(jìn)行一個(gè)有比例的調(diào)節(jié)。

微分環(huán)節(jié)：當(dāng)被控制對象越來越接近目標(biāo)的時(shí)候，當(dāng)然不能按照比例調(diào)節(jié)的給定量去執(zhí)行。所以引入一個(gè)對未來趨勢的判斷給定量。

積分環(huán)節(jié)：當(dāng)比例和微分環(huán)節(jié)控制達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)時(shí)，對一段時(shí)間內(nèi)的靜態(tài)誤差進(jìn)行糾偏。

從時(shí)間的角度講，比例作用是針對系統(tǒng)當(dāng)前誤差進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)解釋：

比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。當(dāng)偏差e=0時(shí)，控制作用也為0；因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。

積分環(huán)節(jié)：能對誤差進(jìn)行記憶，主要用于消除靜態(tài)差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

例子稍微極端一點(diǎn)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(dòng)駕駛的定速巡航。

這時(shí)，你把三個(gè)環(huán)節(jié)想象成你自己=比例，你另外的兩個(gè)兄弟，一個(gè)是微分，一個(gè)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(biāo)。

你的車慢慢靠近 100m 這個(gè)目標(biāo)。

這時(shí)，你的兄弟「微分」說：“兄弟，慢點(diǎn)慢點(diǎn)?。】煲咏恕?。這就是微分的作用，對未來的判斷和控制。

你肯定不會(huì)一次性就將這個(gè)跟車距離調(diào)整好了?？赡苣阋粫?huì)兒小于 100m ，一會(huì)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，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(fēng)阻、還有上坡這樣的環(huán)境干擾因素。

這時(shí)，你那個(gè)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(jìn)行計(jì)算，告訴你給多少油門。

至此，我想應(yīng)該對 PID 有了初步的認(rèn)識。

接下來通過一個(gè)稍微詳細(xì)點(diǎn)兒的例子了解一下 PID 三個(gè)環(huán)節(jié)是如何工作的。

二、PID 三個(gè)環(huán)節(jié)如何工作

我們就用比較火熱的自動(dòng)駕駛來簡單舉例，那自動(dòng)駕駛很直觀的就有兩個(gè)應(yīng)用，一個(gè)是保持固定的車道行駛，一個(gè)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(gè)都比較直觀，我們就用固定速度（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(biāo)配。

我們先講 P——比例調(diào)節(jié)

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(dāng)前速度是 40km/h。

想要到達(dá) 100km/h 有三種執(zhí)行方式：

猛踩油門，車速快速提升，以最快的速度接近 100km/h；

溫和的踩油門，車速中等，以溫和的速度接近 100km/h；

緩慢的踩油門，車速較慢，以較慢的速度接近 100km/h。

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