PID控制算法地C语言实现(完整编辑版~).doc
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1、-_PIDPID 控制算法的控制算法的 C C 语言实现一语言实现一 PIDPID 算法原理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 及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,
2、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(t);2.输出量为 rout(t);3.偏差量为 err(t)=rin(t)-rout(t);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(t)为电机转速预定值;
3、3.输出量 rout(t)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 转速用单位 转转/min/min 表示;不难看出以下结论:1.输入量 rin(t)为电机转速预定值(转/min);2. 输出量 rout(t)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(t)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(t)与 PWM 之间存在怎样的联系呢?http:/ 1) 这篇文章上给出
4、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了, 而实际情况下,直流电机的特性绝对不是线性的,或者说在局部上是趋于线性 的,这就是为什么说 PID 调速有个范围的问题。具体看一下 http:/articles.e- 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。-_PIDPID
5、 控制算法的控制算法的 C C 语言实现二语言实现二 PIDPID 算法的离散化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
6、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 K T 时刻:偏差 err(K)=rin(K)-rout(K);积分环节用加和的形式表示,即 err(K)+err(K+1)+;微分环节用斜率的形式表示,即err(K)-err(K-1)/T;从而形成如下 PID 离散表示形式:则 u(K)可表示成为:-_至于说 Kp、Ki、Kd 三个参数的具体表达式,
7、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(K)+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。-_PIDPID 控制算法的控制算法的 C C 语言实现三语言实现三 位置型位置型 PI
8、DPID 的的 C C 语言语言实现实现上一节中已经抽象出了位置性 PID 和增量型 PID 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 _pidfloat 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;
9、/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_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“); 统一初始化变量
10、,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_realize(float speed)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- pid.err_last);pid.err_last=pid.err;pid.ActualSpeed=pid.v
11、oltage*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 的基本实现部分就初步完成了。下面是测试代码:int main()printf(“System begin n“);PID_init();int count=0;while(count #includestruct _pidfloat SetSpeed; /定义设定值float ActualSpeed; /定义实际值float err; /定义偏差值float err_next
12、; /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 inc
13、rementSpeed=pid.Kp*(pid.err- pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err- 2*pid.err_next+pid.err_last);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(count200)index=0;elseindex=1;pid.integral+=pid.err;p
14、id.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err -pid.err_last); /算法具体实现过程其它部分的代码参见PID 控制算法的 C 语言实现三中的讲解,不再赘述。 同样采集 1000 个量,会发现,系统到 199 所有的时间是原来时间的 1/2,系统 的快速性得到了提高。199.003571199.036804199.068924199.099960199.129974199.158981199.187012199.214111199.240311199.265640199.290115199.31
15、3797199.336655199.358795199.380157199.400818199.420792199.440109199.458771199.476807199.494263199.511124199.527420199.543182199.558426199.573135199.587372199.601120199.614426199.627289199.639694199.651718199.663315199.674561199.685410-_199.695908199.706039199.715851199.725311199.734482199.743332199.
16、751907199.760162199.768173199.775894199.783371199.790588199.797577199.804337199.810867199.817154199.823257199.829147199.834839199.840347199.845673199.850815199.855789199.860596199.865234199.869736199.874069199.878281199.882324199.886261199.890045199.893707199.897263199.900665199.903992199.907181199.
17、910278199.913284199.916168199.918976199.921677199.924286199.926804199.929245199.931610199.933884199.936081199.938217199.940277199.942276199.944183199.946045199.947830199.949585199.951248199.952896199.954437199.955963199.957428199.958847199.960205199.961548199.962830199.964066199.965271199.966431199.
18、967545199.968628199.969666199.970673199.971649199.972595199.973511199.974380199.975235199.976074199.976852199.977631199.978378199.979095199.979797199.980453199.981125199.981735199.982361199.982925199.983505199.984055199.984604199.985107199.985611199.986069199.986557199.987000199.987442199.987869199.
19、988281199.988663199.989044199.989395199.989761199.990097199.990417199.990753199.991058199.991348199.991653199.991913199.992203199.992447199.992706199.992950199.993179199.993408199.993607199.993835199.994034199.994232199.994431199.994598199.994797199.994965199.995132199.995285199.995453199.995605199.
20、995743199.995895199.996017199.996155199.996277199.996414199.996521199.996643199.996750199.996872199.996964199.997070199.997162199.997269199.997360199.997437199.997528199.997604199.997681199.997772199.997849199.997910199.997986199.998047199.998108199.998169199.998245199.998306199.998352199.998398199.
21、998459199.998489199.998550199.998596199.998642199.998703199.998734199.998795199.998825199.998856199.998886199.998917199.998962199.998978199.999023199.999054199.999084199.999115199.999146199.999191199.999207199.999252199.999283199.999298199.999313199.999329199.999344199.999359199.999374199.999390199.
22、999405199.999435199.999435199.999466199.999466199.999496199.999512199.999527199.999542199.999557199.999573199.999588199.999603199.999619199.999634199.999649199.999680199.999680199.999710199.999710199.999741199.999756199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.
23、999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.
24、999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.
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