經典的主動控制算法 PID，了解一下？

編纂導語：PID控制算法應該是比力稀有和廣泛使用的一個算法了，常用于無人機、均衡車等，舉行速率、形態的控制；本文作者分享了關于主動控制算法PID的原理和用處，我們一同來看一下。

生存中的一些小電器，無人機的飛行姿勢和飛行速率控制等等，都使用到 PID——PID 控制在主動控制原理中是一套比力經典的算法。

我們稀有到這類裝備，只不外沒有把穩大概發覺了沒有深化探求以及主動搜刮一下此中的原理罷了。

為什么說產物司理必要堅持劇烈的獵奇心？發覺生存、身邊的美，探求一下為我所用。

好比我們家里的恒溫熱水器、小米的均衡車，我們常常說的主動駕駛、無人機、掃地機、大火的辦事機器人等等產物上有廣泛的使用。

不管你學沒學過控制實際，只需觸及到機電一體化體系，一定會交往到 PID 控制算法。

為什么必要 PID 控制器呢？

你一定用過恒溫熱水壺，你想讓熱水壺的水堅持在一個恒定的溫度，回抵家拿起來就喝，不必要徐徐等水燒開再比及水冷卻到合適咕咚咕咚喝的溫度。

這時分就必要一種算法先將水溫加熱到目標地點四周，可以“預見”這個水溫的厘革趨向，然后還能依據種種情況影響要素形成偏差去調治以維持設定目標。

固然，熱水壺不必要那么高的準確度，約莫只用 PD 就搞定了。

那，好比主動駕駛中控制汽車維持在某個設定的速率行駛，或將汽車堅持在一個安穩車道熟手駛，這就必要十分精準。

這下你曉得 PID 畢竟是個什么東東了吧！

接下去，我們了解一下他的原理。

一、什么是 PID及其原理

1. 什么是 PID

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。

簡便講，依據給定值和實踐輸入值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分經過線性組合構成控制量，對被控目標舉行控制。

常規 PID 控制器作為一種線性控制器。

2. PID 原理

常規的 PID 控制原理圖：

體系由 PID 控制器和被控目標（常常是實行機構，如電機等）構成。

如今曉得了 PID 控制器是怎樣事情的，那么為什么必要比例、積分、微分三個環節呢？具體有什么作用呢？

• 比例環節：當被控制目標現狀與目標有差距的時分，控制器就產生一個控制使得被控制目標向目標接近。以是這是依據目標差距舉行一個有比例的調治。
• 微分環節：當被控制目標越來越接近目標的時分，固然不克不及依照比例調治的給定量去實行。以是引入一個對將來趨向的推斷給定量。
• 積分環節：當比例和微分環節控制到達預設目標時，對一段時間內的靜態偏差舉行糾偏。

從時間的角度講，比例作用是針對體系如今偏差舉行控制，積分作用則針對體系偏差的汗青，而微分作用則反應了體系偏差的厘革趨向，這三者的組合是“已往、如今、將來”的完善團結。

引述百度的標準表明：

• 比例環節：即時成比例地反響控制體系的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立刻產生控制造用以減小偏差。當偏差e=0時，控制造用也為0；因此，比例控制是基于偏差舉行調治的，即有差調治。
• 積分環節：能對偏差舉行影象，主要用于消弭靜態差，提高體系的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。
• 微分環節：能反應偏差信號的厘革趨向(厘革速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在體系中引入一個好效的早前修正信號，從而增速體系的舉措速率，減小調治時間。

例子略微極度一點兒，假定你在高速公路上想隨著你前方的車 100 米的距離跑，并且假定你前方的車是主動駕駛的定速巡航。

這時，你把三個環節想象成你本人=比例，你別的的兩個兄弟，一個是微分，一個是積分。

如今你們倆的車相距 300m，你一腳油門下去，車子急增速開頭迫近目標。

你的車徐徐接近 100m 這個目標。

這時，你的兄弟「微分」說：“兄弟，慢點慢點??！將近接近了”。這就是微分的作用，對將來的推斷和控制。

你一定不會一次性就將這個跟車距離調停好了。約莫你一會兒小于 100m ，一會兒你又大于 100m 跟蹤距離。

就如此你跟你兄弟如此交往前往的調停，終于將跟車距離調停在 100m 支配如此的距離（比力極度哈，報答是不成能做到的）。

但是路上有坑洼呀、有風阻、另有上坡如此的情況干擾要素。

這時，你誰人好久沒語言的兄弟「積分」起作用了，他不休在監督你這段安穩駕駛（100m 跟車的安定形態）形態的偏差，然后舉行盤算，報告你給幾多油門。

至此，我想應該對 PID 有了開頭的熟悉。

接下去經過一個略微具體點兒的例子了解一下 PID 三個環節是怎樣事情的。

二、PID 三個環節怎樣事情

我們就用比力火熱的主動駕駛來簡便舉例，那主動駕駛很直觀的就有兩個使用，一個是堅持安穩的車道行駛，一個就是堅持安穩的速率行駛。

堅持安穩的車道就是控制朝向盤，堅持安穩速率就是控制油門；這兩個都比力直觀，我們就用安穩速率（定速巡航）來簡便舉例。

定速巡航也好壞常成熟的武藝了，在很多中低端車型上以前成了標配。

1. 我們先講 P——比例調治

如今我們想讓我們的車在高速公路上堅持 100km/h 的速率行駛，如今速率是 40km/h。

想要抵達 100km/h 有三種實行辦法：

1. 猛踩油門，車速快速提升，以最快的速率接近 100km/h；
2. 平和的踩油門，車速中等，以平和的速率接近 100km/h；
3. 緩慢的踩油門，車速較慢，以較慢的速率接近 100km/h。

分散對應的 P 值是：較大、中等、較小。

直觀的反響比力如圖：

從圖中可以看出：

• 當 P 值較大時，車輛以更快的速率和最短的時間到達 100km/h；
• 當 P 值中等時，車輛干系于 P 值較大時，反響相對慢點兒，也就是以相對較慢和更長一點兒的時間抵達 100km/h；
• 當 P 值較小時，車輛的反響速率就更慢，抵達 100km/h 所泯滅的時間也更長。

說到這兒你約莫就明白了。

車輛的反響速率和泯滅時間的是非取決于 P 值的輕重——也就是 P 值越大，車輛反響越快，耗時越短。

P 值大，固然反響快，但是反響劇烈，相似于猛增速，坐在汽車里有劇烈的推背感；相應的當接近目標的時分，由于慣性容易沖過頭，并且為了克制過大沖過頭就必要劇烈的踩剎車，乘坐的人就肢體向前傾。

別的由于慣性比力大的緣故，車輛必要更長的時間才干調停到恒定 100km/h 的速率，由于車輛必要較長的時間來調停震蕩。

如此的乘坐體驗就不是很好，這就必要我們設置一個公道的 P 值，車輛的反響不那么劇烈，反響時間你也可以承受。

相似于你開汽車，你用 S 檔（有的叫活動檔，有的叫超車檔）超車，較大的功率輸入，較快的提速，然后切換到 D 檔（行車檔）維持；你可以以為一下，相反的油門，S 檔與 D 檔的反響不一樣，P 值設置不一樣。

好了，既然有了 P 為什么還必要 D 呢？

人類的愿望是無止盡的，總渴望越多越好，越快越好（條件是奉獻的越少越好）。

這時就引入一個 D ，反響速率再快一點兒，但是反響又不那么劇烈；也就是在中等的 P 值條件下，比僅有 P 的情況下更快的抵達 100 的速率（用時更少），但是車輛又不劇烈的震蕩（比沒有 D 的時分更平和）。

2. D——微分調治

為了不讓車輛速率沖過頭，我們再給他一個反向的緩速率。就是讓車輛在越接近 100 的時分，車速處理 100 的速率越慢；與 100km/h 差距越大的時分，接近速率越快。

注意，這個速率不是車輛的行駛速率，是到達目標速率 100 的時間是非。

這點兒約莫不太容易了解，這個相當于你車速以前到了 90km/h，為了避免過沖，這時分你開頭松油門，松的比力快；當抵達 95km/h 的時分，你油門松的就比力慢。

D 值的設置也有三種情況：

1. D 值較大，抵達目標速率的時間就比力長；
2. D 值較小，會產生震蕩，車速會在 100 上下動搖，緩慢的進入 100 的車速維持；
3. D 值切合，車速較快到達 100，并且不會震動。

直觀的反響比力圖：

P 值安定的條件下 D 值影響的厘革體現。

D 值太大了，緩速率就大了，也可以了解為接近目標速率 100 的阻力大。那如此到達目標泯滅的時間就較長。

D 值太小了，固然可以較快的到達目標，但是 D 值對 P 的影響力不夠，容易過沖，并且必要顛末多次調停才干進入安定形態。

在 P 和 D 的互相作用，調治控制下，終極取得的抱負形態是如此的。

既能在較快時間內到達目標，又不會使得反響劇烈形成不適感。

有了 P 和 D 是不是很完善了呢？貌似很完善，但是我們渴望愈加完善就必要引入一個 I 進入。

3. I——積分調治

有了 P 和 D 貌似以前很完善了，但是這個天下是不安定的，沒有不休堅持安定的形態，正如那句話“統統都不在厘革，唯一安定的僅有厘革”。

你終于將你的車輛安定在 100km/h 之后，但是仍然有來個方面的影響要素，內在和外表。

內在的是，你車輛的燃油聽從是在厘革的，外表的是風阻、路面形態（好比摩擦比、平整度、弱小的坡度等）都在厘革，這些干擾要素都在影響你車輛的恒定目標速率。

以是，I （積分）就到場檢測已往一段時間內車速形態，然后舉行積分，得當的協助 P 一把。

I 值設置也有三種情況：

1. I 值過大，調停的力度太大了，容易形成過沖，必要多次調停才干讓車速回歸正常,車輛會振蕩；
2. I 值過小，調停的力度太小了，協助 P 的作用不大，以是必要較長時間才干回到正常；
3. I 值切合，給一個切合的力來協助 P ，讓車速在一個切合的時間內回到目標值。

直觀的反響比力圖：

以上就是 PID 三環節的調治，使得被控制目標可以到達一個安定均衡的運轉體系。

最初，用一個動圖，看看三者之間的干系。

三、PID 使用

但是我們在在平常生存中能看到很多產物都有 PID 的運用，但并不是都市將 PID 三個調治都用上。

不同的產物依據不同的使用情況，做相應的調停；P 是一定要用的，I 和 D 就是看體系呼應速率，輸入震蕩水平等情況，依據完成后果和控制精度等舉行相應的權衡。

固然，也有工程師工程武藝才能的要素，以及怎樣計劃的成績。

好比，很早從前，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，三軸開頭亂轉，這就是計劃的成績；在開機的時分，目標與現狀差距很大，這時分工程師讓 I 到場了，形成過沖，但是只需將 I 舉行分散計劃就好。

再好比，均衡車很多的時分，很多廠家不明以是的就進入這個市場；最初進入市場的產物，一開機，均衡車前后劇烈振蕩，半天賦進入均衡形態，有的乃至不休不克不及進入均衡形態，直到你強行扶著站上去才委曲能用。

這項武藝固然是以前提高幾十年的武藝了，在產業和平常生存的小產物上有廣泛的使用。

產物司理固然不必要深化的去了解武藝，但是必要富裕細致的了解使用場景，使用體驗，競爭的現在情況，協助工程師舉行產物計劃。也必要依據實踐情況做相應的權衡，由于本錢約莫必要思索的緊張要素。

作者：Arvinzhou，微信號：zf519678391；群眾號：面壁求知，ID：AIPM001）接待眷注我！

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