機器人學(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。其中包括機械工程學(xué)、計算機技術(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)今實用科學(xué)技術(shù)的先進水平。

一般而言，機器人由幾大部分組成，分別為機械部分（一般是指通過各關(guān)節(jié)相連組成的機械臂）、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進行處理并給出相應(yīng)控制作用）。

作為機器人的“大腦”，機器人控制技術(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器人實際運動軌跡與期望目標(biāo)的偏差，達到理想的運動精度。

機器人控制器是一個計算機控制系統(tǒng)，它以機器人控制技術(shù)為理論，同時還要配合機器人的運動學(xué)和動力學(xué)建模。這時，我們就將一個復(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器人裝置中分離出來，從而對其進行進一步地認(rèn)識。

隨著機器人相關(guān)科學(xué)技術(shù)的演進，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。同時戰(zhàn)爭、工業(yè)也成為了推動力，自動控制技術(shù)與自動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，美國貝爾電話實驗室的科學(xué)家本逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。貝爾實驗室具有通信背景的工程師們往往很熟悉頻域方法。

（美國貝爾電話實驗室外景）

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，后來也用于自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計。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)點有三：

①技術(shù)成熟，控制效果優(yōu)良；

②適應(yīng)性強，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。

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)機器人的某些物理特性產(chǎn)生變化時，PID算法仍能夠?qū)C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理，因其較強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分別進行比例P、積分I和微分D運算后再疊加得到控制器輸出信號。在實際工作過程中，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，我們可具體問題具體分析，根據(jù)實際需要選擇P、PI、PD、PID不同的組合方式。實際操作過程中，機器人的控制系統(tǒng)調(diào)試過程的關(guān)鍵便在于調(diào)節(jié)比例、積分、微分這三個環(huán)節(jié)的系數(shù)。

有了算法，該如何與機器人結(jié)合呢？

（輪式管道爬行機器人示意圖）

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