PID算法
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1 什么是PID
- PID，即比例Proportion、积分Integral和微分Derivative三个单词的缩写。
- 闭环自动控制技术是基于反馈的概念以减少不确定性，在闭环自动控制原理中，我们把它叫做“PID控制器”，拿控制电机来说，参考下面模型：
[图片上传中...(image-725457-1563416196973-3)]
- 下面引用一段网上经典的话：
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，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。
2 PID原理
- 常规的模拟PID控制系统原理框图如下：
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- 该系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。
- 上面框图中， r(t) 是给定值， y(t) 是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t) = r(t) − y(t).
- e(t) 作为 PID 控制的输入， u(t)作为 PID 控制器的输出和被控对象的输入。 所以模拟 PID 控制器的控制规律为:
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三个重要的参数：
Kp：控制器的比例系数.
Ti：控制器的积分时间，也称积分系数.
Td：控制器的微分时间，也称微分系数.
- P – 比例部分
比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用， 使控制量向减少偏差的方向变化。 控制作用的强弱取决于比例系数Kp， 比例系数Kp越大，控制作用越强， 则过渡过程越快， 控制过程的静态偏差也就越小； 但是Kp越大，也越容易产生振荡， 破坏系统的稳定性。 故而， 比例系数Kp选择必须恰当， 才能过渡时间少， 静差小而又稳定的效果。
- I – 积分部分
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡； 但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长， 但可以减少超调量，提高系统的稳定性。
当 Ti 较小时， 则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti 。
- D – 微分部分
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间， 不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用）， 而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在 PI 控制器的基础上加入微分环节，形成 PID 控制器。
微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入， 将有助于减小超调量， 克服振荡， 使系统趋于稳定， 特别对髙阶系统非常有利， 它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分， 或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。
3 PID算法代码
- PID 控制算法可以分为位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。
两者的区别：
（1）位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值;而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关，因此位置式PID控制的累积误差相对更大;
（2）增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。
（3）由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。
- 下面给出公式直接体现的C语言源代码（请结合项目修改源代码）：
位置式PID
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typedef struct
{
float Kp; //比例系数Proportional
float Ki; //积分系数Integral
float Kd; //微分系数Derivative
float Ek; //当前误差
float Ek1; //前一次误差 e(k-1)
float Ek2; //再前一次误差 e(k-2)
float LocSum; //累计积分位置
}PID_LocTypeDef;
/************************************************
函数名称 ： PID_Loc
功 能 ： PID位置(Location)计算
参 数 ： SetValue ------ 设置值(期望值)
ActualValue --- 实际值(反馈值)
PID ----------- PID数据结构
返 回 值 ： PIDLoc -------- PID位置
作 者 ： strongerHuang
*************************************************/
float PID_Loc(float SetValue, float ActualValue, PID_LocTypeDef *PID)
{
float PIDLoc; //位置
PID->Ek = SetValue - ActualValue;
PID->LocSum += PID->Ek; //累计误差
PIDLoc = PID->Kp * PID->Ek + (PID->Ki * PID->LocSum) + PID->Kd * (PID->Ek1 - PID->Ek);
PID->Ek1 = PID->Ek; return PIDLoc;
}
增量式PID
△u(k) = u(k) – u(k-1)
= Kp[ e(k) – e(k-1)] + Ki*e(k) + Kd[e(k) – 2e(k-1) + e(k-2)]
typedef struct
{
float Kp; //比例系数Proportional
float Ki; //积分系数Integral
float Kd; //微分系数Derivative
float Ek; //当前误差
float Ek1; //前一次误差 e(k-1)
float Ek2; //再前一次误差 e(k-2)
}PID_IncTypeDef;
/************************************************
函数名称 ： PID_Inc
功 能 ： PID增量(Increment)计算
参 数 ： SetValue ------ 设置值(期望值)
ActualValue --- 实际值(反馈值)
PID ----------- PID数据结构
返 回 值 ： PIDInc -------- 本次PID增量(+/-)
作 者 ： strongerHuang
*************************************************/
float PID_Inc(float SetValue, float ActualValue, PID_IncTypeDef *PID)
{
float PIDInc; //增量
PID->Ek = SetValue - ActualValue;
PIDInc = (PID->Kp * PID->Ek) - (PID->Ki * PID->Ek1) + (PID->Kd * PID->Ek2);
PID->Ek2 = PID->Ek1;
PID->Ek1 = PID->Ek; return PIDInc;
}
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