本文是 「从 0 到 1 带你打电赛 · 小车电控篇」 系列（共 12 篇）第 6 篇。

1. 第1篇 · 拿奖逻辑：把比赛拆成小目标
2. 第2篇 · 赛题进化史与押题
3. 第3篇 · 整车搭建与代码框架
4. 第4篇 · 电机驱动与电源地基
5. 第5篇 · 感知：灰度/电磁/编码器/IMU
6. 第6篇 · PID 入门：搞懂 P/I/D（本篇）
7. 第7篇 · PID 进阶：串级+工程补丁
8. 第8篇 · PID 调参实战(核心)
9. 第9篇 · 进阶控制：几时该上
10. 第10篇 · K230 视觉与通信协议
11. 第11篇 · 状态机与整车软件
12. 第12篇 · 现场作战+避坑+开源

到这一篇，我们终于要碰电控里”听起来最玄、其实最值钱”的东西了——PID。

前面几篇，我们给小车装好了电机、电源（电机驱动与电源地基那篇），又装好了灰度、编码器、IMU 这些”感官”（感知那篇）。现在小车能动、也能”知道自己现在多快、偏了多少”，可它还差最后一口气：不会自己根据偏差去纠正。这一步，就是 PID 干的活。

很多人对 PID 有两种相反的误解。一种把它当高深算法，看见公式里的积分微分就头大，绕道走；另一种觉得”不就三个数嘛，乱试呗”，结果调了一下午，车还在地上画龙。这篇我们专治这两种病：先用大白话把 P、I、D 三个字母到底在干嘛讲透，建立直觉；再讲清两种最常见的写法（位置式和增量式）到底差在哪、怎么选；最后手把手带你做”人生第一次调参”——只调一个电机的速度环，从只有 P 开始，一步步加到能稳稳跟住目标速度。

先搞懂一件事：什么是”负反馈”

在拆 P、I、D 之前，得先有个总画面。PID 本质上是一套负反馈的纠错逻辑，一句话概括：

拿”你想要的目标”减去”传感器测到的实际值”，得到一个偏差；再根据这个偏差算出一个控制量去纠正，让实际值往目标靠。偏差越大纠得越狠，偏差归零就收手。

它一直在转圈：测量 → 算偏差 → 输出 → 再测量……画成图就是这样一个闭环：

给它起几个固定名字，后面一直用：

• 目标值（setpoint）：你希望它达到的值。比如”电机转速 = 100″。
• 实际值（反馈）：传感器测到的当前值。比如编码器测出来现在只有 60。
• 偏差（error）：$e = \text{目标} – \text{实际}$。上面这例子 $e = 100 – 60 = 40$。
• 控制量（output）：算出来要给执行机构的指令。对电机来说，就是 PWM 占空比。

而 P、I、D，就是从三个不同的时间视角去看同一个偏差：P 看现在、I 看过去、D 看未来。下面一个个拆。

P：看现在——偏差多大就纠多狠（管”快”）

P（Proportional，比例）是最直接的一项：当前偏差有多大，就按比例给多大的纠正力度。公式就一行：

$$u_P = K_p \cdot e$$

$K_p$ 是你要调的比例系数。偏差大、纠正猛；偏差小、纠正轻；偏差归零，这一项也归零。

P 决定了系统反应有多快、有多”硬”。这就是为什么常说 P 管”快”。

I：看过去——把欠的账一点点补上（管”准”）

I（Integral，积分）专治 P 留下的那个”差一丢丢”的尾巴。它的逻辑是：把过去每一拍的残余偏差都累加起来，攒到一定程度，逼着系统把这点欠账补上。

$$u_I = K_i \cdot \sum e$$

只要还有偏差没消掉，这个累加和 $\sum e$ 就一直在涨，对应的纠正力度也越来越大，直到偏差真正归零它才停止增长。所以 I 是专门消除稳态误差的，决定了系统最终能不能精确命中目标——这就是 I 管”准”。

D：看未来——看趋势提前刹车（管”稳”）

D（Derivative，微分）是三项里最”聪明”的一项。它不看偏差本身有多大，而看偏差正在以多快的速度变化（这一拍的偏差减上一拍的偏差）：

$$u_D = K_d \cdot (e_k – e_{k-1})$$

如果偏差正在飞快缩小，说明你正猛冲向目标，再不收手就要冲过头了——D 这时给一个反向的力，相当于提前点刹车，专门用来抑制超调、增加阻尼、让系统更稳。所以 D 管”稳”。

三个一起上：完整的 PID

把三项加起来，就是完整的 PID：

$$u(k) = K_p \cdot e(k) + K_i \cdot \sum e(i) + K_d \cdot [e(k) – e(k-1)]$$

用三个性格来记，特别好用：

两种写法：位置式 vs 增量式

上面那个公式，是位置式的写法。工程上还有一种增量式，两者长得不一样、用途也不一样，是新手最容易混的地方。务必搞清楚，否则照抄别人代码会出大问题。

位置式：直接算出”绝对的”控制量

就是上面那条完整公式，它算出来的 $u(k)$ 是一个绝对值——比如”舵机应该转到 37 度”。

$$u(k) = K_p \cdot e(k) + K_i \sum_{i} e(i) + K_d \cdot [e(k) – e(k-1)]$$

特点： – 输出直接对应执行机构的绝对位置/角度，符合”我要它在哪”这种直觉。 – 含一个全历史误差累加 $\sum e$，所以容易积分饱和，必须配积分限幅。 – 一旦某次算错、或者程序重启，因为输出是绝对值，执行机构会直接跳变到那个错误位置，有点危险。

增量式：只算”在上次基础上加减多少”

增量式算的不是绝对值，而是这一拍相对上一拍要变化多少（增量 $\Delta u$），最后累加回去：

$$\Delta u(k) = K_p[e(k)-e(k-1)] + K_i \cdot e(k) + K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]$$

$$u(k) = u(k-1) + \Delta u(k)$$

它只跟最近 3 拍的误差有关，不显式累加全部历史。特点： – 不显式累加 $\sum e$，所以天然规避了那种”积分项无限膨胀”的经典饱和。 – 某次算错只影响一个增量，误动作影响小、更安全，也便于”手动/自动”无扰切换。 – 缺点：靠累加 $\Delta u$ 间接实现积分，可能残留一点稳态误差；而且 3 拍差分对噪声更敏感。

怎么选？

记住这个比喻就够了：

这个”速度环增量式、方向环位置式”的搭配，是几乎所有智能车队的标配。本篇先把增量式速度环跑通；方向环长啥样、两者怎么串成两级，是 PID 进阶那一篇的主题。

上代码：两种 PID 的最小实现

光看公式没感觉，看代码就清楚了。先是位置式（最容易懂的入门写法，已经带上积分限幅和输出限幅这两道保险——为什么要加、怎么加得更好，进阶篇讲，这里先照抄）：

// 位置式 PID：输出当作绝对量(如舵机角度)
float Position_PID(float target, float measure){
    static float integral = 0, last_err = 0;
    float err = target - measure;          // 偏差 = 目标 - 实际

    integral += err;                       // I：累加历史偏差
    // 积分限幅(防止积分饱和，进阶篇细讲)
    if(integral >  INT_MAX) integral =  INT_MAX;
    if(integral < -INT_MAX) integral = -INT_MAX;

    float out = Kp*err                     // P：看现在
              + Ki*integral                // I：看过去
              + Kd*(err - last_err);       // D：看未来(偏差变化)
    last_err = err;                        // 记住这次偏差，下次算 D 用

    // 输出限幅(必做!否则可能烧电机/舵机)
    if(out >  OUT_MAX) out =  OUT_MAX;
    if(out < -OUT_MAX) out = -OUT_MAX;
    return out;
}

增量式（速度环典型，直接对 PWM 做增减）：

// 增量式 PID：输出累加到 PWM 上，适合电机速度环
float Incremental_PID(float target, float measure){
    static float e0=0, e1=0, e2=0;         // 最近三拍误差：这次/上次/上上次
    static float pwm = 0;

    e0 = target - measure;
    float dU = Kp*(e0 - e1)                 // P：这拍与上拍偏差之差
             + Ki*e0                        // I：本拍偏差
             + Kd*(e0 - 2*e1 + e2);         // D：二阶差分
    pwm += dU;                              // 在上次基础上增减

    if(pwm >  PWM_MAX) pwm =  PWM_MAX;      // 输出限幅
    if(pwm < -PWM_MAX) pwm = -PWM_MAX;

    e2 = e1; e1 = e0;                       // 移位，准备下一拍
    return pwm;
}

第一次调参：把一个电机的速度环调稳

理论讲完，最爽的来了——亲手调一次。目标极其朴素：让一个电机稳稳地跟住一个目标转速。不管你设 100 还是 200，它都能快速、平稳、不抖地达到并保持。

准备工作

1. 架空轮子。把车架起来或拿一个电机单测，别让它在地上乱窜。第一次调参，安全第一，手边随时能断电。
2. 接通编码器测速（感知那一篇讲过：用定时器编码器模式，把”单位周期的脉冲数”当速度反馈）。
3. 定好控制周期。用定时器中断固定周期跑 PID，不要用 delay 凑！速度环常用 5~10ms（100~200Hz）。周期必须严格恒定，否则等效参数会乱漂。
4. 把数据发出来看。这是调参的眼睛——用 printf 同时发”目标值”和”实际值”两路，丢给 VOFA+ 或串口示波器画成曲线。看不到波形，调参就是瞎子摸象。 具体怎么”看波形治百病”，是 PID 调参实战那一篇的核心内容，这里你先把曲线显示出来就行。

调参顺序：先 P、再 I、最后 D

有句流传几十年的工程口诀，背下来准没错：

参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加。

为什么是这个顺序？因为 P 决定基本响应、必须先立起来；I 是在 P 的基础上去消那条残余尾巴；D 最后用来压超调和抖动。顺序乱了，三者互相干扰，你根本判断不出是谁在捣乱。

第一步：只调 P，找到”临界振荡”再退一档

把 $K_i$、$K_d$ 都设为 0，只留 P。给一个固定目标速度（比如目标 = 100）。

• 从一个很小的 $K_p$ 开始，逐步加大。
• 你会看到：$K_p$ 小的时候，实际转速慢吞吞地往目标爬，还到不了（有稳态误差）；
• $K_p$ 加大，响应变快，但开始有超调（冲过头再回来）；
• 继续加大到某个值，曲线开始等幅振荡（绕着目标值上下来回、幅度既不收敛也不发散）——这个点叫临界点，记下此时的 $K_p$；
• 然后把 $K_p$ 退回到临界值的 60%~70%（或者干脆乘 0.6）。这就是你的 P 起点。

这套”加到临界振荡再退一档”的做法，其实就是经典的临界比例度法（Ziegler-Nichols）的核心思想——它给你一个量级正确的起点，省得你从 0 瞎试。完整的 Z-N 换算表和起步估计，放到 PID 调参实战那一篇。

第二步：加 I，把稳态误差那条尾巴收掉

P 调好后，你的转速大概率还差一点点到不了目标（稳态误差）。现在从一个很小的 $K_i$ 开始往上加：

• 经验起点：$K_i$ 大约取 $K_p$ 的 1/10 ~ 1/5 起步试。
• 加 I 之后观察曲线：稳态误差应该慢慢被”顶”上去，最终精确贴到目标线上。
• $K_i$ 太小：尾巴消得太慢，半天贴不上目标。
• $K_i$ 太大：开始超调、甚至振荡——这时往回退。

第三步（可选）：加 D，压一压超调

如果加了 I 之后超调还是有点大，可以试着加一点点 D（从 0 缓慢加）来增加阻尼、压住超调。但前面说过，速度环测速噪声大，一旦看到曲线长毛刺、电机发抖，立刻停手回调。很多速度环这一步直接跳过。

调到这一步，你大概会在曲线上看到下面这几种典型现象，对照着调就行：

一组真实的电赛参数（仅供感受量级）

光说”经验起点”太抽象，给你看一组 2024 年电赛巡线小车的真实实测参数，感受一下数量级（再强调一遍：这是别人车上的个案值，不能照抄，只能当参照）：

一个调不出来时的保命心态

最后讲个真事。有位作者做摄像头跟踪云台（X/Y 双轴 PID，以画面中心为目标、小球坐标为反馈），因为系统太复杂，比赛现场参数怎么都收敛不了，最后他承认”开环也未尝不可“——退一步用开环或分段控制保底，反而把任务完成了。

几个新手必踩的坑（先记下，进阶篇细讲）

这篇是入门，下面这些坑你先有个印象就好，真正的解法在 PID 进阶和 PID 调参实战两篇里：

• static 状态变量被清零 → PID 失效。这是最低级也最高频的错。
• 极性搞反（偏差符号或电机方向反了）→ 不是负反馈而是正反馈，车越偏越猛、直接发散。上电先用很小的增益验一下极性。
• 用 delay 凑控制周期、或周期被中断打乱 → 相当于采样忽快忽慢，等效参数乱漂，怎么调都不对。一定用定时器固定周期。
• 照抄别人参数却换了周期/电机/电压 → 量级完全不对。
• 位置式忘了给积分限幅 → 积分饱和，超调到天上。
• D 直接加大 → 放大测速噪声，电机发抖。

小结

这一篇，我们把 PID 从”玄学”拉回了”直觉”：

• 它是一套负反馈纠错：目标减实际得偏差，再用三路力度去纠。
• P 看现在（管快）、I 看过去（管准）、D 看未来（管稳）——记牢是”P 快、I 准、D 稳”，别被对调的版本骗了。
• 位置式输出绝对量、适合舵机/方向环；增量式输出增量、适合电机速度环，且天然规避显式积分饱和。
• 调参顺序铁律：先 P、再 I、最后 D，参数从小到大。第一次就拿一个电机的速度环练手，把曲线发到上位机上盯着调。

你现在已经能让一个电机稳稳听话了。但一辆车要跑起来，光有速度还不够——它还得知道”往哪偏了、该怎么转”，这就要把方向环也加进来，让它和速度环串成两级协同工作；而真正让车在赛道上不翻不冲，还得靠一整套工程补丁。这些，我们下一篇 PID 进阶接着聊。