毕设系列 -- 经典单片机控制算法：PID

文章目录

• 1 简介
• 2 什么是PID
• • 2.1 P：比例
  • 2.2 I：积分
  • 2.3 D：微分
  • 3 PID算法能做什么
• 4 PID算法实现
• • 4.1 位置式pid算法实现
  • 4.2 增量式PID实现：
  • 4.3 抗积分饱和的PID算法实现
• 5 最后

1 简介

Hi，大家好，这里是丹成学长，今天向大家讲解经典单片机控制算法：

PID控制算法

大家可用于 课程设计 或 毕业设计

2 什么是PID

2.1 P：比例

成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。

2.2 I：积分

为消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。

2.3 D：微分

反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。

3 PID算法能做什么

既然是一种控制算法，PID理所应当的用于单片机对某种器件的控制， 一般控制对象：

• 温控（烤箱，冰箱等）
• 电机转速控制
• 平衡车控制
• 飞行器控制
• 压力、温度、流量、液位控制器

平衡车

PID温控

4 PID算法实现

PID算法不止一种，学长把常用的PID算法实现列举给大家

4.1 位置式pid算法实现

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;

void PID_init(){
    printf("PID_init begin \n");
    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("PID_init end \n");
}

float PID_realize(float speed){
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
    pid.integral+=pid.err;//位置式pid是对积分的持续累加，容易造成积分饱和，是系统过调
    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);
    pid.err_last=pid.err;
    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;
    return pid.ActualSpeed;
}
int main(){
    printf("System begin \n");
    PID_init();
    int count=0;
    while(count<1000)
    {
        float speed=PID_realize(200.0);
        printf("%f\n",speed);
        count++;
    }
return 0;
}

           

4.2 增量式PID实现：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

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_next;            //定义上一个偏差值
    float err_last;            //定义最上前的偏差值
    float Kp,Ki,Kd;            //定义比例、积分、微分系数
}pid;

void PID_init(){
    pid.SetSpeed=0.0;
    pid.ActualSpeed=0.0;
    pid.err=0.0;
    pid.err_last=0.0;
    pid.err_next=0.0;
    pid.Kp=0.2;
    pid.Ki=0.015;
    pid.Kd=0.2;
}

float PID_realize(float speed){
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
    float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last);//只和前后三次的误差值有关，也方便计算
    pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;
    pid.err_last=pid.err_next;
    pid.err_next=pid.err;
    return pid.ActualSpeed;
}

int main(){
    PID_init();
    int count=0;
    while(count<1000)
    {
        float speed=PID_realize(200.0);
        printf("%f\n",speed);
        count++;
    }
    return 0;
}
           

4.3 抗积分饱和的PID算法实现

float PID_realize(float speed){
    int index;
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;

   if(pid.ActualSpeed>pid.umax)  //灰色底色表示抗积分饱和的实现
    {

       if(abs(pid.err)>200)      //蓝色标注为积分分离过程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err<0)
            {//如果超上限要嘛加负值要嘛就不加了，免得进入饱和区
              pid.integral+=pid.err;          

                    }
        }
    }else if(pid.ActualSpeed<pid.umin){
        if(abs(pid.err)>200)      //积分分离过程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err>0)
            {//如果超下限要嘛加正值要嘛就不加了免得进入饱和区
            pid.integral+=pid.err;
            }
        }
    }else{
        if(abs(pid.err)>200)                    //积分分离过程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            pid.integral+=pid.err;
        }
    }

    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);


    pid.err_last=pid.err;
    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;
    return pid.ActualSpeed;
}
           

5 最后

技术解答
毕设帮助：<Q>746876041