pid什么意思（自动控制算法 PID）

2022-01-09 00:05 浏览:1

pid什么意思（自动控制算法 PID）

生活中的一些小电器，无人机的飞行姿态和飞行速度控制等等，都应用到 PID——PID 控制在自动控制原理中是一套比较经典的算法。

我们常见到这类设备，只不过没有留心或者发现了没有深入探究以及主动搜索一下其中的原理而已。

为什么说产品经理需要保持强烈的好奇心？发现生活、身边的美，探究一下为我所用。

比如我们家里的恒温热水器、小米的平衡车，我们常常说的自动驾驶、无人机、扫地机、大火的服务机器人等等产品上有广泛的应用。

不管你学没学过控制理论，只要涉及到机电一体化系统，一定会接触到 PID 控制算法。

为什么需要 PID 控制器呢？

你一定用过恒温热水壶，你想让热水壶的水保持在一个恒定的温度，回到家拿起来就喝，不需要慢慢等水烧开再等到水冷却到适合咕咚咕咚喝的温度。

这时候就需要一种算法先将水温加热到目标位置附近，能够“预见”这个水温的变化趋势，然后还能根据各种环境影响因素造成误差去调节以维持设定目标。

当然，热水壶不需要那么高的精确度，可能只用 PD 就搞定了。

那，比如自动驾驶中控制汽车维持在某个设定的速度行驶，或将汽车保持在一个固定车道内行驶，这就需要非常精准。

这下你知道 PID 到底是个什么东东了吧！

接下来，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。

简单讲，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

常规 PID 控制器作为一种线性控制器。

常规的 PID 控制原理图：

系统由 PID 控制器和被控对象（常常是执行机构，如电机等）组成。

现在知道了 PID 控制器是怎么工作的，那么为什么需要比例、积分、微分三个环节呢？具体有什么作用呢？

从时间的角度讲，比例作用是针对系统当前误差进行控制，积分作用则针对系统误差的历史，而微分作用则反映了系统误差的变化趋势，这三者的组合是“过去、现在、未来”的完美结合。

引述百度的标准解释：

比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。当偏差e=0时，控制作用也为0；因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。
积分环节：能对误差进行记忆，主要用于消除静态差，提高系统的无差度，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：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

例子稍微极端一点儿，假设你在高速公路上想跟着你前面的车 100 米的距离跑，并且假设你前面的车是自动驾驶的定速巡航。

这时，你把三个环节想象成你自己=比例，你另外的两个兄弟，一个是微分，一个是积分。

现在你们俩的车相距 300m，你一脚油门下去，车子急加速开始逼近目标。

你的车慢慢靠近 100m 这个目标。

这时，你的兄弟「微分」说：“兄弟，慢点慢点！！快要接近了”。这就是微分的作用，对未来的判断和控制。

你肯定不会一次性就将这个跟车距离调整好了。可能你一会儿小于 100m ，一会儿你又大于 100m 跟踪距离。

就这样你跟你兄弟这样来来回回的调整，终于将跟车距离调整在 100m 左右这样的距离（比较极端哈，人为是不可能做到的）。

可是路上有坑洼呀、有风阻、还有上坡这样的环境干扰因素。

这时，你那个好久没说话的兄弟「积分」起作用了，他一直在监视你这段平稳驾驶（100m 跟车的稳定状态）状态的误差，然后进行计算，告诉你给多少油门。

至此，我想应该对 PID 有了初步的认识。

接下来通过一个稍微详细点儿的例子了解一下 PID 三个环节是如何工作的。

我们就用比较火热的自动驾驶来简单举例，那自动驾驶很直观的就有两个应用，一个是保持固定的车道行驶，一个就是保持固定的速度行驶。

保持固定的车道就是控制方向盘，保持固定速度就是控制油门；这两个都比较直观，我们就用固定速度（定速巡航）来简单举例。

定速巡航也是非常成熟的技术了，在很多中低端车型上已经成了标配。

现在我们想让我们的车在高速公路上保持 100km/h 的速度行驶，当前速度是 40km/h。

想要到达 100km/h 有三种执行方式：