PID控制應該算是應用非常廣泛的控制算法了。小到控制一個元件的溫度，大到控制無人機的飛行姿态和飛行速度等等，都可以使用PID控制。這裡我們從原理上來理解PID控制。

PID(proportion integration differentiation)其實就是指比例，積分，微分控制。先把圖片和公式擺出來，看不懂沒關系。（一開始看這個算法，公式能看懂，具體怎麼用怎麼寫代碼也知道，但是就是不知道原理，不知道為什麼要用比例，微分，積分這3個項才能實現最好的控制，用其中兩個為什麼不行，用了3個項能好在哪裡，每一個項各有什麼作用）

總的來說，當得到系統的輸出後，将輸出經過比例，積分，微分3種運算方式，疊加到輸入中，從而控制系統的行為，下面用一個簡單的實例來說明。

比例控制算法

我們先說PID中最簡單的比例控制，抛開其他兩個不談。還是用一個經典的例子吧。假設我有一個水缸，最終的控制目的是要保證水缸裡的水位永遠的維持在1米的高度。假設初始時刻，水缸裡的水位是0.2米，那麼當前時刻的水位和目标水位之間是存在一個誤差的error，且error為0.8.這個時候，假設旁邊站着一個人，這個人通過往缸裡加水的方式來控制水位。如果單純的用比例控制算法，就是指加入的水量u和誤差error是成正比的。

即：u=kp*error

假設kp取0.5， 那麼t=1時（表示第1次加水，也就是第一次對系統施加控制），那麼u=0.5*0.8=0.4，所以這一次加入的水量會使水位在0.2的基礎上上升0.4，達到0.6.。

接着，t=2時刻（第2次施加控制），當前水位是0.6，所以error是0.4。u=0.5*0.4=0.2，會使水位再次上升0.2，達到0.8。

如此這麼循環下去，就是比例控制算法的運行方法。 可以看到，最終水位會達到我們需要的1米。

但是，單單的比例控制存在着一些不足，其中一點就是 –穩态誤差！（我也是看了很多，并且想了好久才想通什麼是穩态誤差以及為什麼有穩态誤差）。

像上述的例子，根據kp取值不同，系統最後都會達到1米，隻不過kp大了到達的快，kp小了到達的慢一些。不會有穩态誤差。但是，考慮另外一種情況，假設這個水缸在加水的過程中，存在漏水的情況，假設每次加水的過程，都會漏掉0.1米高度的水。

仍然假設kp取0.5，那麼會存在着某種情況，假設經過幾次加水，水缸中的水位到0.8時，水位将不會再變換。因為，水位為0.8，則誤差error=0.2。所以每次往水缸中加水的量為u=0.5*0.2=0.1.同時，每次加水，缸裡又會流出去0.1米的水，加入的水和流出的水相抵消，水位将不再變化。

也就是說，我的目标是1米，但是最後系統達到0.8米的水位就不再變化了，且系統已經達到穩定。由此産生的誤差就是穩态誤差了。

（在實際情況中，這種類似水缸漏水的情況往往更加常見，比如控制汽車運動，摩擦阻力就相當于是“漏水”，控制機械臂、無人機的飛行，各類阻力和消耗都可以理解為本例中的“漏水”）

所以，單獨的比例控制，在很多時候并不能滿足要求。

積分控制算

還是用上面的例子，如果僅僅用比例，可以發現存在暫态誤差，最後的水位就卡在0.8了。于是，在控制中，我們再引入一個分量，該分量和誤差的積分是正比關系。所以，比例 積分控制算法為：

u=kp*error ki∗∫ error

還是用上面的例子來說明，第一次的誤差error是0.8，第二次的誤差是0.4，至此，誤差的積分（離散情況下積分其實就是做累加），∫error=0.8 0.4=1.2. 這個時候的控制量，除了比例的那一部分，還有一部分就是一個系數ki乘以這個積分項。由于這個積分項會将前面若幹次的誤差進行累計，所以可以很好的消除穩态誤差（假設在僅有比例項的情況下，系統卡在穩态誤差了，即上例中的0.8，由于加入了積分項的存在，會讓輸入增大，從而使得水缸的水位可以大于0.8，漸漸到達目标的1.0.）這就是積分項的作用。

微分控制算法

換一個另外的例子，考慮刹車情況。平穩的駕駛車輛，當發現前面有紅燈時，為了使得行車平穩，基本上提前幾十米就放松油門并踩刹車了。當車輛離停車線非常近的時候，則使勁踩刹車，使車輛停下來。整個過程可以看做一個加入微分的控制策略。

微分，說白了在離散情況下，就是error的差值，就是t時刻和t-1時刻error的差，即u=kd*（error（t）-error（t-1）），其中的kd是一個系數項。可以看到，在刹車過程中，因為error是越來越小的，所以這個微分控制項一定是負數，在控制中加入一個負數項，他存在的作用就是為了防止汽車由于刹車不及時而闖過了線。從常識上可以理解，越是靠近停車線，越是應該注意踩刹車，不能讓車過線，所以這個微分項的作用，就可以理解為刹車，當車離停車線很近并且車速還很快時，這個微分項的絕對值（實際上是一個負數）就會很大，從而表示應該用力踩刹車才能讓車停下來。

切換到上面給水缸加水的例子，就是當發現水缸裡的水快要接近1的時候，加入微分項，可以防止給水缸裡的水加到超過1米的高度，說白了就是減少控制過程中的震蕩。

現在再回頭看這個公式，就很清楚了

括号内第一項是比例項，第二項是積分項，第三項是微分項，前面僅僅是一個系數。很多情況下，僅僅需要在離散的時候使用，則控制可以化為

每一項前面都有系數，這些系數都是需要實驗中去嘗試然後确定的，為了方便起見，将這些系數進行統一一下：

這樣看就清晰很多了，且比例，微分，積分每個項前面都有一個系數，且離散化的公式，很适合編程實現。

講到這裡，PID的原理和方法就說完了，剩下的就是實踐了。在真正的工程實踐中，最難的是如果确定三個項的系數，這就需要大量的實驗以及經驗來決定了。通過不斷的嘗試和正确的思考，就能選取合适的系數，實現優良的控制器。

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