機(jī)器人學(xué)代表了當(dāng)今集成度高、具有代表性的高技術(shù)領(lǐng)域，它綜合了多門學(xué)科。其中包括機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制工程學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科的交叉與融合，體現(xiàn)了當(dāng)今實(shí)用科學(xué)技術(shù)的先進(jìn)水平。

一般而言，機(jī)器人由幾大部分組成，分別為機(jī)械部分（一般是指通過各關(guān)節(jié)相連組成的機(jī)械臂）、傳感部分（包括測量位置、速度等的測量裝置），以及控制部分（對傳感部分傳來的測量信號(hào)進(jìn)行處理并給出相應(yīng)控制作用）。

作為機(jī)器人的“大腦”，機(jī)器人控制技術(shù)的重要性不言而喻

它主要是通過傳感等部分傳送的信息，采用控制算法，使得機(jī)械部分完成目標(biāo)操作而承擔(dān)相應(yīng)控制功能對應(yīng)的部分。最終的目的是盡可能減小機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望目標(biāo)的偏差，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)精度。

機(jī)器人控制器是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它以機(jī)器人控制技術(shù)為理論，同時(shí)還要配合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模。這時(shí)，我們就將一個(gè)復(fù)雜、抽象的物理模型轉(zhuǎn)換成了相對清晰、具象的數(shù)學(xué)模型，一經(jīng)建立，那么我們就在一定程度上就把控制問題從具體的機(jī)器人裝置中分離出來，從而對其進(jìn)行進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)。

隨著機(jī)器人相關(guān)科學(xué)技術(shù)的演進(jìn)，控制算法也逐漸變得豐富起來，產(chǎn)生了諸如自適應(yīng)控制、自校正控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、非線性系統(tǒng)控制、預(yù)測控制等眾多新型控制策略。

但是，在眾多優(yōu)秀的控制算法中，最為活躍的當(dāng)屬PID（比例、積分、微分）控制，許多先進(jìn)的控制策略也都是基于PID控制算法的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

在生產(chǎn)過程系統(tǒng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最悠久生命力最強(qiáng)的基本控制方式之一。在20世紀(jì)40年代以前除在最簡單的情況下可以采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。

20世紀(jì)，通信技術(shù)、電子技術(shù)開始發(fā)展。同時(shí)戰(zhàn)爭、工業(yè)也成為了推動(dòng)力，自動(dòng)控制技術(shù)與自動(dòng)控制理論開始快速發(fā)展。PID的誕生源于人類對于反饋系統(tǒng)的相關(guān)研究。

20世紀(jì)20年代，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家本逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。貝爾實(shí)驗(yàn)室具有通信背景的工程師們往往很熟悉頻域方法。

（美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室外景）

1932年，奈奎斯特（H·Nyquist）發(fā)表論文，采用圖形的方法來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這套方法，后來也用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。之后，反饋控制原理開始應(yīng)用于工業(yè)過程。

（美國物理學(xué)家奈奎斯特）

1934年美國麻省理工的赫曾教創(chuàng)立了伺服控制理論，首次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性。兩年后，英國的考倫德(A·Callender)和斯蒂文森(A·Stevenson)等人給出了PID控制器的方法。

簡單說來，PID控制的優(yōu)點(diǎn)有三：

①技術(shù)成熟，控制效果優(yōu)良；

②適應(yīng)性強(qiáng)，對于各種過程控制對象，PID算法幾乎都符合要求；

③魯棒性強(qiáng)。

其中，魯棒性（Robustness）指，它反映反饋控制系統(tǒng)具有承受這一類不確定性影響的能力。簡單來說，當(dāng)魯棒性較好就是指當(dāng)機(jī)器人的某些物理特性產(chǎn)生變化時(shí)，PID算法仍能夠?qū)C(jī)器人的姿態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。

一方面，PID成本低廉，易于操作；

另一方面，絕大部分控制對象可以直接使用PID控制，而不必深究其模型機(jī)理，因其較強(qiáng)的魯棒性可保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足基本要求。

一般意義上，PID控制器是線性控制器。PID控制的含義是，將經(jīng)過反饋后得到的誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例P、積分I和微分D運(yùn)算后再疊加得到控制器輸出信號(hào)。在實(shí)際工作過程中，系統(tǒng)給出給定值（也可稱為期望值），測量環(huán)節(jié)測量出的實(shí)際輸出值反饋給系統(tǒng)，且將與期望值產(chǎn)生偏差e。而PID控制器的作用就是糾正該偏差e。

在具體應(yīng)用時(shí)，我們可具體問題具體分析，根據(jù)實(shí)際需要選擇P、PI、PD、PID不同的組合方式。實(shí)際操作過程中，機(jī)器人的控制系統(tǒng)調(diào)試過程的關(guān)鍵便在于調(diào)節(jié)比例、積分、微分這三個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)。

有了算法，該如何與機(jī)器人結(jié)合呢？

（輪式管道爬行機(jī)器人示意圖）

我們舉個(gè)例來說明。我們以輪式機(jī)器人為例，為了使得機(jī)器人可以敏捷、穩(wěn)定地行走，我們需要對驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，那么首先需要對伺服驅(qū)動(dòng)器本身的PID進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后，為了控制效果更精確，系統(tǒng)還會(huì)采用開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器（PMAC），而該控制卡也可以進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，這種機(jī)器人的控制系統(tǒng)可簡化成如下流程：