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1、PID控制算法的C语言实现一 PID算法原理 最近两天在考虑一般控制算法的C语言实现问题,发现网络上尚没有一套完整的比较体系的讲解.于是总结了几天,整理一套思路分享给大家. 在工业应用中PID与其衍生算法是应用最广泛的算法之一,是当之无愧的万能算法,如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程,对于一般的研发人员来讲,应该是足够应对一般研发问题了,而难能可贵的是,在我所接触的控制算法当中,PID控制算法又是最简单,最能体现反馈思想的控制算法,可谓经典中的经典.经典的未必是复杂的,经典的东西常常是简单的,而且是最简单的,想想牛顿的力学三大定律吧,想想爱因斯坦的质能方程吧,何等的简单！简单的不是原始
2、的,简单的也不是落后的,简单到了美的程度.先看看PID算法的一般形式： PID的流程简单到了不能再简单的程度,通过误差信号控制被控量,而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和.这里我们规定在t时刻： 1.输入量为rin; 2.输出量为rout; 3.偏差量为err=rin-rout; pid的控制规律为 理解一下这个公式,主要从下面几个问题着手,为了便于理解,把控制环境具体一下： 1.规定这个流程是用来为直流电机调速的; 2.输入量rin为电机转速预定值; 3.输出量rout为电机转速实际值; 4.执行器为直流电机; 5.传感器为光电码盘,假设码盘为10线; 6.直流电机采用PWM调速转
3、速用单位 转/min 表示; 不难看出以下结论： 1.输入量rint为电机转速预定值转/min; 2. 输出量rout为电机转速实际值转/min; 3.偏差量为预定值和实际值之差转/min;那么以下几个问题需要弄清楚： 1.通过PID环节之后的U是什么值呢？ 2.控制执行器直流电机转动转速应该为电压值也就是PWM占空比. 3.那么U与PWM之间存在怎样的联系呢？见附录1这篇文章上给出了一种方法,即,每个电压对应一个转速,电压和转速之间呈现线性关系.但是我考虑这种方法的前提是把直流电机的特性理解为线性见附录2这篇文章就可以了解了.所以在正式进行调速设计之前,需要现有开环系统,测试电机和转速之间的
4、特性曲线或者查阅电机的资料说明,然后再进行闭环参数整定.这篇先写到这,下一篇说明连续系统的离散化问题.并根据离散化后的特点讲述位置型PID和增量型PID的用法和C语言实现过程.PID控制算法的C语言实现二 PID算法的离散化 上一节中,我论述了PID算法的基本形式,并对其控制过程的实现有了一个简要的说明,通过上一节的总结,基本已经可以明白PID控制的过程.这一节中先继续上一节内容补充说明一下. 1.说明一下反馈控制的原理,通过上一节的框图不难看出,PID控制其实是对偏差的控制过程; 2.如果偏差为0,则比例环节不起作用,只有存在偏差时,比例环节才起作用. 3.积分环节主要是用来消除静差,所谓静
5、差,就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值,积分环节实际上就是偏差累计的过程,把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差. 4.而微分信号则反应了偏差信号的变化规律,或者说是变化趋势,根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节,从而增加了系统的快速性. 好了,关于PID的基本说明就补充到这里,下面将对PID连续系统离散化,从而方便在处理器上实现.下面把连续状态的公式再贴一下： 假设采样间隔为T,则在第KT时刻：偏差err=rin-rout;积分环节用加和的形式表示,即err+err+;微分环节用斜率的形式表示,即err-err/T;从而形成如下PID离散表示形式：则u可表示成为：至于说Kp、Ki
6、、Kd三个参数的具体表达式,我想可以轻松的推出了,这里节省时间,不再详细表示了.其实到这里为止,PID的基本离散表示形式已经出来了.目前的这种表述形式属于位置型PID,另外一种表述方式为增量式PID,由U上述表达式可以轻易得到：那么：这就是离散化PID的增量式表示方式,由公式可以看出,增量式的表达结果和最近三次的偏差有关,这样就大大提高了系统的稳定性.需要注意的是最终的输出结果应该为u+增量调节值;PID的离散化过程基本思路就是这样,下面是将离散化的公式转换成为C语言,从而实现微控制器的控制作用.PID控制算法的C语言实现三 位置型PID的C语言实现 上一节中已经抽象出了位置性PID和增量型P
7、ID的数学表达式,这一节,重点讲解C语言代码的实现过程,算法的C语言实现过程具有一般性,通过PID算法的C语言实现,可以以此类推,设计其它算法的C语言实现. 第一步：定义PID变量结构体,代码如下：struct _pid float SetSpeed; /定义设定值 float ActualSpeed; /定义实际值 float err; /定义偏差值 float err_last; /定义上一个偏差值 float Kp,Ki,Kd; /定义比例、积分、微分系数 float voltage; /定义电压值控制执行器的变量 float integral; /定义积分值pid;控制算法中所需要用到
8、的参数在一个结构体中统一定义,方便后面的使用. 第二部：初始化变量,代码如下：void PID_init printf; pid.SetSpeed=0.0; pid.ActualSpeed=0.0; pid.err=0.0; pid.err_last=0.0; pid.voltage=0.0; pid.integral=0.0; pid.Kp=0.2; pid.Ki=0.015; pid.Kd=0.2; printf;统一初始化变量,尤其是Kp,Ki,Kd三个参数,调试过程当中,对于要求的控制效果,可以通过调节这三个量直接进行调节.第三步：编写控制算法,代码如下：float PID_reali
9、ze pid.SetSpeed=speed; pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed; pid.integral+=pid.err; pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*; pid.err_last=pid.err; pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0; return pid.ActualSpeed;注意：这里用了最基本的算法实现形式,没有考虑死区问题,没有设定上下限,只是对公式的一种直接的实现,后面的介绍当中还会逐渐的对此改进. 到此为止,PID的基本实现部分
10、就初步完成了.下面是测试代码：int main printf; PID_init; int count=0; whilecount float speed=PID_realize; printf; count+; return 0;下面是经过1000次的调节后输出的1000个数据具体的参数整定过程就不说明了,网上这种说明非常多： / 83.00000111.55500059.55967528.17540852.90742138.94415251.89169946.14165153.33905451.50999855.90845055.94463158.97068059.88293662.225
11、00163.53725465.52770767.01105868.81064670.35531872.04204073.59565875.20762076.74544478.30152679.81213681.32192982.80030484.26890985.71310887.14345588.55300589.94696091.32207892.68099694.02223495.34718696.65524297.94718099.222808100.482601101.726572102.955049104.168125105.366066106.549019107.71718710
12、8.870756110.009898111.134811112.245652113.342615114.425860115.495564116.551897117.595029118.625116119.642331120.646826121.638767122.618307123.585603124.540813125.484079126.415549127.335383128.243715129.140691130.026459130.901149131.764909132.617870133.460162134.291942135.113308135.924419136.72538213
13、7.516332138.297401139.068697139.830352140.582499141.325237142.058701142.782985143.498218144.204509144.901969145.590726146.270843146.942486147.605718148.260674148.907425149.546109150.176794150.799612151.414626152.021959152.621696153.213951153.798781154.376315154.946626155.509812156.065958156.615146157.157471157.693012158.221871158.744097159.259826159.769078160.271991160.768588161.258996161.743264162.221494162.693737163.160075163.620593164.075347164.524422164.967877165.4
