** PID控制算法** ，是結(jié)合比例（P）、積分（I）和微分（D）三環(huán)所提供的負(fù)反饋信號(hào)來(lái)修正系統(tǒng)誤差，以保障系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定或平衡的控制算法。

但它不等同于三環(huán)控制，三環(huán)控制僅是PID算法的具體應(yīng)用之一。

01.何為反饋

瓦力 ：

反饋指系統(tǒng)的輸出信號(hào)再作為其輸入信號(hào)的作用過(guò)程。

而按照反饋信號(hào)的極性，可分為正反饋和負(fù)反饋。

** 正反饋**指受控部分（系統(tǒng)）的反饋（輸出）信號(hào)，其方向與控制（輸入）信號(hào)一致，并能加強(qiáng)控制部分的活動(dòng)。而這一反饋（輸出）信號(hào)將再次被輸入系統(tǒng)，并同向影響其輸出結(jié)果，以此不斷增大受控量的實(shí)際值與期望值之間的偏差，使系統(tǒng)趨向于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

例如河水受到污染導(dǎo)致河魚(yú)大量死亡，死魚(yú)的尸體再次污染河水因此死魚(yú)更多。河水的實(shí)際污染情況與期望的清澈程度之間的差距越來(lái)越大，這是生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出的正反饋。

反之，負(fù)反饋即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的極性相反或變化方向相反，其疊加的結(jié)果將使凈輸入信號(hào)減弱。例如人在體溫上升時(shí)會(huì)流汗，流汗會(huì)散熱使體溫下降。

02.PID控制算法

瓦力 ：

而PID控制算法同樣蘊(yùn)含負(fù)反饋邏輯，并服務(wù)于人類生活。

例如日常的空調(diào)控溫，試想若沒(méi)有PID控制算法，僅憑空調(diào)系統(tǒng)的原始調(diào)控能力，會(huì)產(chǎn)生控溫偏差大、響應(yīng)速度慢等弊端——

假設(shè)期望室溫為30℃，但空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)負(fù)反饋信號(hào)得知實(shí)際的溫度偏差情況，而只能機(jī)械式吹出30℃的風(fēng)，導(dǎo)致室溫極可能永遠(yuǎn)無(wú)法精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)期的30℃。并且實(shí)際的環(huán)境溫度越低，空調(diào)對(duì)室溫的調(diào)節(jié)速度越慢。

瓦力 ：

但當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)加入PID控制算法后，情況便大不相同。

#1

比例控制

比例控制作為一種最簡(jiǎn)單的控制方式，能使輸入信號(hào)成比例地反應(yīng)輸出信號(hào)，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，使系統(tǒng)較原始狀態(tài)而言趨于準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

例如要使室溫從30℃降至20℃，借助比例控制算法便能將降溫10℃的任務(wù)目標(biāo)，等比例分作10份交由空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行。那么空調(diào)系統(tǒng)若以1℃/S的速度降溫，從理論層面來(lái)講，當(dāng)?shù)?0秒時(shí)就能達(dá)到預(yù)期的室溫值。

瓦力 ：

但由于空調(diào)系統(tǒng)不一定精準(zhǔn)地以1℃/S的速度降溫，且結(jié)合當(dāng)時(shí)的室溫情況，室內(nèi)每秒的實(shí)降溫度也并非準(zhǔn)確為1℃，存在著 穩(wěn)態(tài)誤差 。

所以若只對(duì)系統(tǒng)引入比例控制，僅能對(duì)其穩(wěn)定性稍作改善，而穩(wěn)態(tài)誤差的累積仍會(huì)使預(yù)期值與實(shí)際值之間產(chǎn)生較大偏差。

并且若單純應(yīng)用比例控制，給定系統(tǒng)的比例過(guò)小，其調(diào)控作用會(huì)太弱；給定的比例過(guò)大，又會(huì)使系統(tǒng)因反應(yīng)過(guò)疾而狀態(tài)不穩(wěn)，產(chǎn)生明顯的震蕩。

同樣是使室溫從30℃降至20℃的目標(biāo)，被等比例分作10份交由空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行。空調(diào)系統(tǒng)第1S的理想降溫為1℃，可能實(shí)際降溫為1.1℃，產(chǎn)生了誤差。

但引入積分控制后的系統(tǒng)，能及時(shí)反應(yīng)出前1S中0.1℃的控溫偏差，并將實(shí)際余下8.9℃的降溫任務(wù)，分由后9S時(shí)間去執(zhí)行，并以此邏輯遞推來(lái)不斷調(diào)整系統(tǒng)接下來(lái)的控制實(shí)況。

#2

積分控制

#3

微分控制

P+I的控制模式，已然較大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但系統(tǒng)收到信號(hào)反饋的變化，總是落后于誤差的變化，致使系統(tǒng)控制仍存在固有的 滯后性 。且系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。

瓦力 ：

微分就像是個(gè)“預(yù)言家”。微分控制能憑借系統(tǒng)已產(chǎn)生的誤差，預(yù)測(cè)接下來(lái)的誤差趨勢(shì)，并以此 提前修正誤差 。

同樣是空調(diào)控溫，系統(tǒng)加入微分控制后，能通過(guò)誤差的變化率來(lái)判斷系統(tǒng)將要上升還是下降，提前改變其控制量。此舉與積分作用形成了互補(bǔ)，降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差量，并提高了其調(diào)控速率。

PID控制算法，被皓煊應(yīng)用于 仿生機(jī)械臂 、人機(jī)交互式玩具手堡等研發(fā)工作。它還能實(shí)現(xiàn)以簡(jiǎn)易方式編譯、處理低級(jí)存儲(chǔ)器的C語(yǔ)言，并憑其算法簡(jiǎn)單明了、適應(yīng)性好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、化工、制造、航天等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)之無(wú)愧的 超級(jí)算法 。