本文灵感来自于 仪表云 视频：“10分钟了解PID工作流程”，下面附上连接

笔者属于控制入门，文中若有不当之处还请读者指出，欢迎大家讨论！

1.开闭环控制

在讲解PID之前，我不得不先讨论一下开闭环控制

开环控制

如图1：首先看一下开环控制的逻辑图，开环控制系统并不会根据“实际输出量”做对“给定输入量”调整。以电风扇控制为例：对于一个电风扇来说，给定恒定电压V，则其电风扇转速就会在N~M转速之间波动，从而输出一定风量

图 1

开环控制只关注输入，而不关注输出结果精度，输出结果是 不定的（取决于系统元件及校准精度情况），没有目标的。其输出不会反馈回输入参与控制。

闭环控制：

还是以风扇控制来说，这里我们引入人的概念。就是人在吹风扇的时候，会考虑风的大小，而去调节电压。控制方式如图2

图 2

可见由于引入了人的因素，人不仅关注输入也关注输出结果，而且会根据输出结果去调整电压，使得最终结果达到人所希望的目标。人通过反馈信息来调整控制电压。

图2中红色部分表示人作用的结果：人通过风量误差调节电压

闭环控制不只关注输入，更关注输出结果，输出结果是有目标的，实际输出回返回输入参与控制，控制系统会根据实际输出控制输入，从而影响实际输出以达到目标

自动闭环控制：

实际生产生活中，为了提高自动化能力，我们需要使用控制器来把人替换掉。如图3

图 3

图3中我们将人换成了控制器，而最常见的控制器就是PID

2.控制器选择

这里我们利用一个小车沿着路线行驶的转向控制来讲解：

图4中小车向东行驶，车速恒定，其目标是最终沿着目标路径走（有目标，闭环控制），路径有方向，黑色箭头为路径延伸方向

图 4

在此，我们设定小车距离目标路径的实际距离为Cross Track Error ( Ep )，由于目标距离=0；所以 Ep也就是误差；

Ep方向：当小车在目标路径右边，则Ep>0；若小车在目标路径左边，则Ep<0

另外，如果小车想走到目标路径，就必须先拐弯，因此我们设定小车每次的转弯角度为Sa, Sa就是控制输出量

Sa方向：当Sa>0时，小车向左拐（小车前进方向的左）；当Sa<0时，小车向右拐（小车前进方向的右）

注：实际距离为Cross Track Error ( Ep )可以通过视觉传感器，GPS定位等手段获取

如图5，可以借此画出小车闭环控制的逻辑图：

图 5

对于上述控制系统，我们已经确认了其闭环控制逻辑的一个重点：即输入输出（由上可知，该控制系统的输入是Ep；输出是Sa【Sa受Ep影响，包含Sa的符号】）

由于控制系统是一个循环控制，因此我们还需要设定它的控制周期。这里我们设定为1ms控制一次（控制周期越小，控制精度越高）

OK，万事俱备，只欠东风。下面就到了重头戏！控制器的设计

虽然笔者在开闭环控制中讲过，PID是一种常见的控制器，但是为了让读者更好的理解控制器的作用，这里我们先讲一种最简单的控制器：Bang-Bang Control

说起来，Bang-Bang Control控制应该是笔者见到的最傻的控制器了

Bang-Bang Control：

当Ep 不等于 0时，就让|Sa|等于一个定值A°，每个控制周期的|Sa|都等于A°

Sa的符号由Ep决定，当Ep>0，则Sa>0；当Ep<0，则Sa<0

因此有：

其控制逻辑图如图6所示：

图 6

引入Bang-Bang Control的结果如图7所示

从图7中可以看到，当我们将目标路径向北移动后，小车立刻向北跑去，小车很快再次到达目标路径，但是小车始终在目标路径附近震荡

这是由于控制量Sa每次都是定值，当小车达到目标后，会由于Sa固定的缘故导致超调，而导致小车在目标路径处反复震荡（这也是笔者说它傻的原因，不会随机应变）

注：在BangBang Control中，这里我们设置的控制周期是1ms，虽然我们设定每次控制量为小车转角为A°，但实际上可能由于控制周期的原因，小车还没转到A°，就已经进入了下一个控制周期了，请读者注意控制周期对实际控制结果的影响

OK，相信看到这里，读者已经对自动闭环控制有了初步的了解。也明白了控制器的选择会影响最终的控制结果，既然BangBang Control太傻，那我们就改用一个稍微聪明点的控制器：PID控制器

PID控制器详解请见：PID控制原理 二（PID使用详解）