PID控制算法是什么

** PID控制算法** ，是结合比例（P）、积分（I）和微分（D）三环所提供的负反馈信号来修正系统误差，以保障系统相对稳定或平衡的控制算法。

但它不等同于三环控制，三环控制仅是PID算法的具体应用之一。

01.何为反馈

瓦力 ：

反馈指系统的输出信号再作为其输入信号的作用过程。

而按照反馈信号的极性，可分为正反馈和负反馈。

** 正反馈**指受控部分（系统）的反馈（输出）信号，其方向与控制（输入）信号一致，并能加强控制部分的活动。而这一反馈（输出）信号将再次被输入系统，并同向影响其输出结果，以此不断增大受控量的实际值与期望值之间的偏差，使系统趋向于不稳定的状态。

例如河水受到污染导致河鱼大量死亡，死鱼的尸体再次污染河水因此死鱼更多。河水的实际污染情况与期望的清澈程度之间的差距越来越大，这是生态环境呈现出的正反馈。

反之，负反馈即反馈信号与输入信号的极性相反或变化方向相反，其叠加的结果将使净输入信号减弱。例如人在体温上升时会流汗，流汗会散热使体温下降。

02.PID控制算法

瓦力 ：

而PID控制算法同样蕴含负反馈逻辑，并服务于人类生活。

例如日常的空调控温，试想若没有PID控制算法，仅凭空调系统的原始调控能力，会产生控温偏差大、响应速度慢等弊端——

假设期望室温为30℃，但空调系统无法通过负反馈信号得知实际的温度偏差情况，而只能机械式吹出30℃的风，导致室温极可能永远无法精准达到预期的30℃。并且实际的环境温度越低，空调对室温的调节速度越慢。

瓦力 ：

但当空调系统加入PID控制算法后，情况便大不相同。

#1

比例控制

比例控制作为一种最简单的控制方式，能使输入信号成比例地反应输出信号，以提高系统的动态响应速度，使系统较原始状态而言趋于准确、稳定。

例如要使室温从30℃降至20℃，借助比例控制算法便能将降温10℃的任务目标，等比例分作10份交由空调系统执行。那么空调系统若以1℃/S的速度降温，从理论层面来讲，当第10秒时就能达到预期的室温值。

瓦力 ：

但由于空调系统不一定精准地以1℃/S的速度降温，且结合当时的室温情况，室内每秒的实降温度也并非准确为1℃，存在着 稳态误差 。

所以若只对系统引入比例控制，仅能对其稳定性稍作改善，而稳态误差的累积仍会使预期值与实际值之间产生较大偏差。

并且若单纯应用比例控制，给定系统的比例过小，其调控作用会太弱；给定的比例过大，又会使系统因反应过疾而状态不稳，产生明显的震荡。

同样是使室温从30℃降至20℃的目标，被等比例分作10份交由空调系统执行。空调系统第1S的理想降温为1℃，可能实际降温为1.1℃，产生了误差。

但引入积分控制后的系统，能及时反应出前1S中0.1℃的控温偏差，并将实际余下8.9℃的降温任务，分由后9S时间去执行，并以此逻辑递推来不断调整系统接下来的控制实况。

#2

积分控制

#3

微分控制

P+I的控制模式，已然较大提高了系统的稳定性。但系统收到信号反馈的变化，总是落后于误差的变化，致使系统控制仍存在固有的 滞后性 。且系统在克服误差的调节过程中，可能会出现振荡甚至失稳。

瓦力 ：

微分就像是个“预言家”。微分控制能凭借系统已产生的误差，预测接下来的误差趋势，并以此 提前修正误差 。

同样是空调控温，系统加入微分控制后，能通过误差的变化率来判断系统将要上升还是下降，提前改变其控制量。此举与积分作用形成了互补，降低了系统的动态偏差量，并提高了其调控速率。

PID控制算法，被皓煊应用于 仿生机械臂 、人机交互式玩具手堡等研发工作。它还能实现以简易方式编译、处理低级存储器的C语言，并凭其算法简单明了、适应性好、鲁棒性强等特点，被广泛应用于能源、化工、制造、航天等多个领域，是当之无愧的 超级算法 。