经典的主动控制算法 PID，了解一下？

编纂导语：PID控制算法应该是比力稀有和广泛使用的一个算法了，常用于无人机、均衡车等，举行速率、形态的控制；本文作者分享了关于主动控制算法PID的原理和用处，我们一同来看一下。

生存中的一些小电器，无人机的飞行姿势和飞行速率控制等等，都使用到 PID——PID 控制在主动控制原理中是一套比力经典的算法。

我们稀有到这类装备，只不外没有把稳大概发觉了没有深化探求以及主动搜刮一下此中的原理罢了。

为什么说产物司理必要坚持剧烈的猎奇心？发觉生存、身边的美，探求一下为我所用。

好比我们家里的恒温热水器、小米的均衡车，我们常常说的主动驾驶、无人机、扫地机、大火的办事机器人等等产物上有广泛的使用。

不管你学没学过控制实际，只需触及到机电一体化体系，一定会交往到 PID 控制算法。

为什么必要 PID 控制器呢？

你一定用过恒温热水壶，你想让热水壶的水坚持在一个恒定的温度，回抵家拿起来就喝，不必要徐徐等水烧开再比及水冷却到合适咕咚咕咚喝的温度。

这时分就必要一种算法先将水温加热到目标地点四周，可以“预见”这个水温的厘革趋向，然后还能依据种种情况影响要素形成偏差去调治以维持设定目标。

固然，热水壶不必要那么高的准确度，约莫只用 PD 就搞定了。

那，好比主动驾驶中控制汽车维持在某个设定的速率行驶，或将汽车坚持在一个安稳车道熟手驶，这就必要十分精准。

这下你晓得 PID 毕竟是个什么东东了吧！

接下去，我们了解一下他的原理。

一、什么是 PID及其原理

1. 什么是 PID

PID，即比例 Proportion、积分 Integral 和微分 Derivative 三个单词的缩写；比例积分微分控制，简称PID控制。

简便讲，依据给定值和实践输入值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分经过线性组合构成控制量，对被控目标举行控制。

常规 PID 控制器作为一种线性控制器。

2. PID 原理

常规的 PID 控制原理图：

体系由 PID 控制器和被控目标（常常是实行机构，如电机等）构成。

如今晓得了 PID 控制器是怎样事情的，那么为什么必要比例、积分、微分三个环节呢？具体有什么作用呢？

• 比例环节：当被控制目标现状与目标有差距的时分，控制器就产生一个控制使得被控制目标向目标接近。以是这是依据目标差距举行一个有比例的调治。
• 微分环节：当被控制目标越来越接近目标的时分，固然不克不及依照比例调治的给定量去实行。以是引入一个对将来趋向的推断给定量。
• 积分环节：当比例和微分环节控制到达预设目标时，对一段时间内的静态偏差举行纠偏。

从时间的角度讲，比例作用是针对体系如今偏差举行控制，积分作用则针对体系偏差的汗青，而微分作用则反应了体系偏差的厘革趋向，这三者的组合是“已往、如今、将来”的完善团结。

引述百度的标准表明：

• 比例环节：即时成比例地反响控制体系的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立刻产生控制造用以减小偏差。当偏差e=0时，控制造用也为0；因此，比例控制是基于偏差举行调治的，即有差调治。
• 积分环节：能对偏差举行影象，主要用于消弭静态差，提高体系的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
• 微分环节：能反应偏差信号的厘革趋向(厘革速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在体系中引入一个好效的早前修正信号，从而增速体系的举措速率，减小调治时间。

例子略微极度一点儿，假定你在高速公路上想随着你前方的车 100 米的距离跑，并且假定你前方的车是主动驾驶的定速巡航。

这时，你把三个环节想象成你本人=比例，你别的的两个兄弟，一个是微分，一个是积分。

如今你们俩的车相距 300m，你一脚油门下去，车子急增速开头迫近目标。

你的车徐徐接近 100m 这个目标。

这时，你的兄弟「微分」说：“兄弟，慢点慢点！！将近接近了”。这就是微分的作用，对将来的推断和控制。

你一定不会一次性就将这个跟车距离调停好了。约莫你一会儿小于 100m ，一会儿你又大于 100m 跟踪距离。

就如此你跟你兄弟如此交往前往的调停，终于将跟车距离调停在 100m 支配如此的距离（比力极度哈，报答是不成能做到的）。

但是路上有坑洼呀、有风阻、另有上坡如此的情况干扰要素。

这时，你谁人好久没语言的兄弟「积分」起作用了，他不休在监督你这段安稳驾驶（100m 跟车的安定形态）形态的偏差，然后举行盘算，报告你给几多油门。

至此，我想应该对 PID 有了开头的熟悉。

接下去经过一个略微具体点儿的例子了解一下 PID 三个环节是怎样事情的。

二、PID 三个环节怎样事情

我们就用比力火热的主动驾驶来简便举例，那主动驾驶很直观的就有两个使用，一个是坚持安稳的车道行驶，一个就是坚持安稳的速率行驶。

坚持安稳的车道就是控制朝向盘，坚持安稳速率就是控制油门；这两个都比力直观，我们就用安稳速率（定速巡航）来简便举例。

定速巡航也好坏常成熟的武艺了，在很多中低端车型上以前成了标配。

1. 我们先讲 P——比例调治

如今我们想让我们的车在高速公路上坚持 100km/h 的速率行驶，如今速率是 40km/h。

想要抵达 100km/h 有三种实行办法：

1. 猛踩油门，车速快速提升，以最快的速率接近 100km/h；
2. 平和的踩油门，车速中等，以平和的速率接近 100km/h；
3. 缓慢的踩油门，车速较慢，以较慢的速率接近 100km/h。

分散对应的 P 值是：较大、中等、较小。

直观的反响比力如图：

从图中可以看出：

• 当 P 值较大时，车辆以更快的速率和最短的时间到达 100km/h；
• 当 P 值中等时，车辆干系于 P 值较大时，反响相对慢点儿，也就是以相对较慢和更长一点儿的时间抵达 100km/h；
• 当 P 值较小时，车辆的反响速率就更慢，抵达 100km/h 所泯灭的时间也更长。

说到这儿你约莫就明白了。

车辆的反响速率和泯灭时间的是非取决于 P 值的轻重——也就是 P 值越大，车辆反响越快，耗时越短。

P 值大，固然反响快，但是反响剧烈，相似于猛增速，坐在汽车里有剧烈的推背感；相应的当接近目标的时分，由于惯性容易冲过头，并且为了克制过大冲过头就必要剧烈的踩刹车，乘坐的人就肢体向前倾。

别的由于惯性比力大的缘故，车辆必要更长的时间才干调停到恒定 100km/h 的速率，由于车辆必要较长的时间来调停震荡。

如此的乘坐体验就不是很好，这就必要我们设置一个公道的 P 值，车辆的反响不那么剧烈，反响时间你也可以承受。

相似于你开汽车，你用 S 档（有的叫活动档，有的叫超车档）超车，较大的功率输入，较快的提速，然后切换到 D 档（行车档）维持；你可以以为一下，相反的油门，S 档与 D 档的反响不一样，P 值设置不一样。

好了，既然有了 P 为什么还必要 D 呢？

人类的愿望是无止尽的，总渴望越多越好，越快越好（条件是奉献的越少越好）。

这时就引入一个 D ，反响速率再快一点儿，但是反响又不那么剧烈；也就是在中等的 P 值条件下，比仅有 P 的情况下更快的抵达 100 的速率（用时更少），但是车辆又不剧烈的震荡（比没有 D 的时分更平和）。

2. D——微分调治

为了不让车辆速率冲过头，我们再给他一个反向的缓速率。就是让车辆在越接近 100 的时分，车速处理 100 的速率越慢；与 100km/h 差距越大的时分，接近速率越快。

注意，这个速率不是车辆的行驶速率，是到达目标速率 100 的时间是非。

这点儿约莫不太容易了解，这个相当于你车速以前到了 90km/h，为了避免过冲，这时分你开头松油门，松的比力快；当抵达 95km/h 的时分，你油门松的就比力慢。

D 值的设置也有三种情况：

1. D 值较大，抵达目标速率的时间就比力长；
2. D 值较小，会产生震荡，车速会在 100 上下动摇，缓慢的进入 100 的车速维持；
3. D 值切合，车速较快到达 100，并且不会震动。

直观的反响比力图：

P 值安定的条件下 D 值影响的厘革体现。

D 值太大了，缓速率就大了，也可以了解为接近目标速率 100 的阻力大。那如此到达目标泯灭的时间就较长。

D 值太小了，固然可以较快的到达目标，但是 D 值对 P 的影响力不够，容易过冲，并且必要颠末多次调停才干进入安定形态。

在 P 和 D 的互相作用，调治控制下，终极取得的抱负形态是如此的。

既能在较快时间内到达目标，又不会使得反响剧烈形成不适感。

有了 P 和 D 是不是很完善了呢？貌似很完善，但是我们渴望愈加完善就必要引入一个 I 进入。

3. I——积分调治

有了 P 和 D 貌似以前很完善了，但是这个天下是不安定的，没有不休坚持安定的形态，正如那句话“统统都不在厘革，唯一安定的仅有厘革”。

你终于将你的车辆安定在 100km/h 之后，但是仍然有来个方面的影响要素，内在和外表。

内在的是，你车辆的燃油听从是在厘革的，外表的是风阻、路面形态（好比摩擦比、平整度、弱小的坡度等）都在厘革，这些干扰要素都在影响你车辆的恒定目标速率。

以是，I （积分）就到场检测已往一段时间内车速形态，然后举行积分，得当的协助 P 一把。

I 值设置也有三种情况：

1. I 值过大，调停的力度太大了，容易形成过冲，必要多次调停才干让车速回归正常,车辆会振荡；
2. I 值过小，调停的力度太小了，协助 P 的作用不大，以是必要较长时间才干回到正常；
3. I 值切合，给一个切合的力来协助 P ，让车速在一个切合的时间内回到目标值。

直观的反响比力图：

以上就是 PID 三环节的调治，使得被控制目标可以到达一个安定均衡的运转体系。

最初，用一个动图，看看三者之间的干系。

三、PID 使用

但是我们在在平常生存中能看到很多产物都有 PID 的运用，但并不是都市将 PID 三个调治都用上。

不同的产物依据不同的使用情况，做相应的调停；P 是一定要用的，I 和 D 就是看体系呼应速率，输入震荡水平等情况，依据完成后果和控制精度等举行相应的权衡。

固然，也有工程师工程武艺才能的要素，以及怎样计划的成绩。

好比，很早从前，我用过一个某大牌的三轴手持云台，我在没有装载手机的情况下开机，三轴开头乱转，这就是计划的成绩；在开机的时分，目标与现状差距很大，这时分工程师让 I 到场了，形成过冲，但是只需将 I 举行分散计划就好。

再好比，均衡车很多的时分，很多厂家不明以是的就进入这个市场；最初进入市场的产物，一开机，均衡车前后剧烈振荡，半天赋进入均衡形态，有的乃至不休不克不及进入均衡形态，直到你强行扶着站上去才委曲能用。

这项武艺固然是以前提高几十年的武艺了，在产业和平常生存的小产物上有广泛的使用。

产物司理固然不必要深化的去了解武艺，但是必要富裕细致的了解使用场景，使用体验，竞争的现在情况，协助工程师举行产物计划。也必要依据实践情况做相应的权衡，由于本钱约莫必要思索的紧张要素。

作者：Arvinzhou，微信号：zf519678391；群众号：面壁求知，ID：AIPM001）接待眷注我！

本文由 @周较瘦 公布于各位都是产物司理。未经允许，克制转载。

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