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PID算法原理及应用
yoours2021-07-16 20:48:05
简介一边听听音乐,一边写写文章。
来源: https://www.cnblogs.com/luxiaoguogege/p/10230369.html
(一)PID控制算法(P:比例 I:积分 D:微分)
(二)首先先说明原理,使用的是数字PID算法,模拟PID算法在计算机这样的系统中是不能够直接使用的,数字PID算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法,那么下面从原理上说明这两种算法
(三)原理分析如图
(四)从上面图中我们可以得到定义
定义变量
用户设定值: SV
当前值(实际值): PV
偏差: E = SV - PV
(五)如果我们在一段时间内就从传感器读取一个值,那么我们就可以得到一个实际值的数据序列,,那么我们也会得到一个偏差值的序列
读取时间: t(1) t(2) ------ t(k-1) t(k)
读取到的值: X(1) X(2) ------ X(k-1) X(k)
偏差值: E(1) E(2) ------ E(k-1) E(k)
那么我们从偏差值中可以知道: E(X) > 0 说明未达标
E(X) = 0 说明正好达标
E(X) < 0 说明超标
(六)比例控制(P),作用:对偏差起到及时反映的作用,一旦产生偏差,控制器立即做出反映
定义:
比例系数:Kp (根据系统进行调节)
比例输出:POUT = Kp * E(k)
POUT = Kp * E(k) + OUT0
OUT0说明:OUT0是防止E(K) = 0 时候比例控制不作用,所以添加个OUT0进去,OUT0可以根据系统定义大小
Kp说明:如果我们得到一个偏差之后,将偏差进行放大或者缩小来让控制器进行控制
(七)积分控制(I),作用:消除静差
从上面我们得到偏差序列:
偏差值: E(1) E(2) ------ E(k-1) E(k)
定义,历史偏差值之和:S(k) = E(1) + E(2) + .... + E(k-1) + E(K)
定义,积分输出: IOUT = Kp * S(k) + OUT0
(八)微分控制(D),作用:反映偏差信号的变化趋势
从上面我们得到偏差序列:
偏差值: E(1) E(2) ------ E(k-1) E(k)
定义,偏差之差:D(k) = E(k) - E(k-1)
定义,微分输出:DOUT = Kp * D(k) + OUT0
(九)那么我们从上面就能得出PID的控制算法
PIDOUT = POUT + IOUT + DOUT
= (Kp * E(k) + OUT0) + (Kp * S(k) + OUT0) + (Kp * D(k) +OUT0)
= Kp * (E(k) + S(k) + D(k)) + OUT0
OUT0防止PIDOUT = 0 时候算法还有输出,防止失去控控制
比例(P):考虑当前
积分(I):考虑历史
微分(D):考虑未来
(十)位置式PID,上面只是简单的说明了一下原理,那么实际的数字PID控制算法变换公式
Ti:积分常数
TD:微分常数
T:计算周期
上面两个是变化后的积分和微分的那个,那么我们把上面的两个替换到第九点中,我们就得到位置上PIDOUT的公式,两个式子是一样的
(十一)增量式PID,本次基础上加上多少偏差:△OUT
(十二)上面的只是PID的原理说明,那么数字PID的公式是
即:
(十三)那么我们将上面的公式通过通过C语言写出来
1. 位置式PID
#ifndef _pid_
#define _pid_
#include "stm32f10x_conf.h"
#define MODEL_P 1
#define MODEL_PI 2
#define MODEL_PID 3
typedef struct
{
u8 choose_model; //使用哪个模式调节
float Sv; //用户设定值
float Pv; //当前值,实际值
float Kp; //比例系数
float T; //PID计算周期--采样周期
u16 Tdata; //判断PID周期到没到
float Ti; //积分时间常数
float Td; //微分系数
float Ek; //本次偏差
float Ek_1; //上次偏差
float SEk; //历史偏差之和
float Iout; //积分输出
float Pout; //比例输出
float Dout; //微分输出
float OUT0; //一个维持的输出,防止失控
float OUT; //计数最终得到的值
u16 pwmcycle;//pwm周期
}PID;
extern PID pid; //存放PID算法所需要的数据
void PID_Calc(void); //pid计算
void PID_Init(void); //PID初始化
#endif
#include "pid.h"
#include "PWM_Config.h"
#include "USART_Config.h" //USART设置
PID pid; //存放PID算法所需要的数据
void PID_Init()
{
pid.choose_model = MODEL_PID;
pid.T=330; //采样周期,定时器使用1ms,则最小执行PID的周期为330ms
pid.Sv=280; //用户设定值
pid.Kp=0.5; //比例系数
pid.Ti=180; //积分时间
pid.Td=1; //微分时间
pid.OUT0=0; //一个维持的输出
pid.pwmcycle = 330; //PWM的周期
}
void PID_Calc() //pid计算
{
float DelEk; //本次和上次偏差,最近两次偏差之差
float ti,ki;
float td;
float kd;
float out;
if(pid.Tdata < (pid.T)) //最小计算周期未到
{
return;
}
pid.Tdata = 0;
pid.Ek=pid.Sv-pid.Pv; //得到当前的偏差值
pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek; //比例输出
pid.SEk+=pid.Ek; //历史偏差总和
DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1; //最近两次偏差之差
ti=pid.T/pid.Ti;
ki=ti*pid.Kp;
pid.Iout=ki*pid.SEk; //积分输出
td=pid.Td/pid.T;
kd=pid.Kp*td;
pid.Dout=kd*DelEk; //微分输出
switch(pid.choose_model)
{
case MODEL_P: out= pid.Pout; printf("使用P运算\r\n") ;
break;
case MODEL_PI: out= pid.Pout+ pid.Iout; printf("使用PI运算\r\n") ;
break;
case MODEL_PID: out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout; printf("使用PID运算\r\n") ;
break;
}
printf("PID算得的OUT:\t%d\r\n",(int)out) ;
//////////////////////////////////////////////////////////
/*判断算出的数是否符合控制要求*/
if(out>pid.pwmcycle) //不能比PWM周期大,最大就是全高吗
{
pid.OUT=pid.pwmcycle;
}else if(out<0){ //值不能为负数
pid.OUT=pid.OUT0;
}else{
pid.OUT=out;
}
printf("实际输出使用的pid.OUT:\t%d\r\n",(int)pid.OUT) ;
pid.Ek_1=pid.Ek; //更新偏差
Turn_Angle((int)pid.OUT); //输出PWM
}
2.增量式PID
#ifndef _pid_
#define _pid_
#include "stm32f10x_conf.h"
#define MODEL_P 1
#define MODEL_PI 2
#define MODEL_PID 3
typedef struct
{
u8 choose_model; //使用哪个模式调节
float curr; //当前值
float set; //设定值
float En; //当前时刻
float En_1; //前一时刻
float En_2; //前二时刻
float Kp; //比例系数
float T; //采样周期---控制周期,每隔T控制器输出一次PID运算结果
u16 Tdata; //判断PID周期到没到
float Ti; //积分时间常数
float Td; //微分时间常数
float Dout; //增量PID计算本次应该输出的增量值--本次计算的结果
float OUT0; //一个维持的输出,防止失控
short currpwm; //当前的pwm宽度
u16 pwmcycle; //pwm周期
}PID;
extern u8 STATUS;
extern PID pid;
void PIDParament_Init(void); /*增量式PID初始化*/
void pid_calc(void); /*pid计算 并输出*/
#endif
#include "pid.h"
#include "PWM_Config.h"
#include "USART_Config.h" //USART设置
PID pid;
void PIDParament_Init()
{
pid.choose_model = MODEL_PID;
pid.T=330; //采样周期,定时器使用1ms,则最小执行PID的周期为330ms
pid.set =280; //用户设定值
pid.Kp=0.5; //比例系数
pid.Ti=40; //微分系数常数
pid.Td=10; //积分时间常数
pid.OUT0=0; //一个维持的输出
pid.pwmcycle = 330; //PWM的周期
}
void pid_calc() //pid??
{
float dk1;float dk2;
float t1,t2,t3;
if(pid.Tdata < (pid.T)) //最小计算周期未到
return;
pid.Tdata = 0;
pid.En=pid.set-pid.curr; //本次误差
dk1=pid.En-pid.En_1; //本次偏差与上次偏差之差
dk2=pid.En-2*pid.En_1+pid.En_2;
t1=pid.Kp*dk1; //比例
t2=(pid.Kp*pid.T)/pid.Ti; //积分
t2=t2*pid.En;
t3=(pid.Kp*pid.Td)/pid.T; //微分
t3=t3*dk2;
switch(pid.choose_model)
{
case MODEL_P: pid.Dout= t1; printf("使用P运算\r\n") ;
break;
case MODEL_PI: pid.Dout= t1+t2; printf("使用PI运算\r\n") ;
break;
case MODEL_PID: pid.Dout= t1+t2+t3; printf("使用PID运算\r\n") ;
break;
}
pid.currpwm+=pid.Dout; //本次应该输出的PWM
printf("PID算得的OUT:\t%d\r\n",(int)pid.currpwm) ;
/*判断算出的数是否符合控制要求*/
if(pid.currpwm>pid.pwmcycle) //算出的值取值,肯定是在0-pid.pwmcycle之间,不然的话PWM怎么输出
{
pid.currpwm=pid.pwmcycle;
}
if(pid.currpwm<0)
{
pid.currpwm=0;
}
printf("实际输出使用的OUT:\t%d\r\n",(int)pid.currpwm) ;
pid.En_2=pid.En_1;
pid.En_1=pid.En;
Turn_Angle(pid.currpwm); //输出PWM
}
(十五)上面我们贴出来位置式PID算法和增量式PID算法的核心部分了,但是上面的理论上可以直接移植,添加一些还没有定义的变量就好了,下面是具体的演示工程
PID算法整定
(一)首先在使用PID算法之前先进行基础的设置
1. PWM正脉冲控制输出开
2. 传感器曲线随着PWM占空比越大而越大
3. 传感器在环境下情况下最低数据,和最高数据。设定值不能超过这两个范围
(二)凑试法的基本方法是:对参数实行先比例,后积分,再微分的整定步踩具体步骤如下:
1)首先先只整定比例部分。将比例系数Kp由小变大,观察系统响应的变化情况,直到得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围内,那么只需要比例控制器即可满足要求。
2)整定积分时间常数。在比例控制下系统的静差不满足设计要求时,则需要采用积分环节来消除静差。整定时,首先置积分时间Ti为一较大值,并将经第一步整定很到的比例系数略为缩小(如缩小为原值的4/5),观察系统响应的情况,然后根据观察的情况来减小积分时间常数,同时比例系数也可能缩小,使系统消除静差的同时能够获得良好的动态性值在此过程中,在此过程可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间常数,以期得到满意的控制过程与整定参数。
3)整定微分时间常数。若使用比例积分控制器消除了静差,但动态过程经反复调胜仍不能满意(主要是响应速度达不到要求),则可加人微分环节,构成PID控制器。整定时先置.较小的微分时间常数,同时比例系数略微减小、 积分时间常数略微增大,观察系统师应的情况。然后加大微分时间常数,比例系数、积分时间常数相应调整,反复调整,直到得满意的控制过程和整定参数。
(三)总结试凑法
1. 比例系数有小到大,然后找出超调小的Kp
2. 积分时间常数Ti由大变小,适当调整Kp
3. 微分时间常数Td由小变大,适当调整Ti和Kp
(四)实验总结
1. KP设定,最初使用1,假如控制之后实际值比设定值小不够,那就增大。反之就减少。
2. TI设定,数据先很大。看效果
1). 如果TI加进去之后数据很久才变化到目标值就逐渐减小。如果TI减少到执行几次都是比设定值大的时候那就逐渐增大
2). 如果刚加进去变化很快,并且超调很高,就增大来调节
3. 积分就看情况调节
(五)增量式PID控制与位置式PID控制比较,有如下优点:
1)由式增量式PID控制与位置式PID可见,增量式PID控制算式只需要现时刻以及前两个时刻的偏差采样值,计算量和存储量都小,且计算的是增量,当存在计算误差或精度不足时,对控制量计算的影响较小。而位置式PID控制算式每次计算均与整个过去的状态有关,需要过去所有的偏差采样值参与累积计算,容易产生较大的积累误差,存储量和计算量较大。
2)增量式PID控制容易实现无扰动切换。增量式PID控制算法是对前一一时刻控制量的增量式变化,对执行机构的冲击小。位置式PID控制算法则是对前一稳定运行点控制量的绝对大小的变化,变化大,对执行机构容易产生冲击。
3)增量式PID控制本质上具有更好的抗干扰能力。若某个时刻采样值受到干扰,对于位置式PID控制,这个干扰会一直影响系统的整个运行过程;而增量式PID控制算式只需要现时刻以及前两个时刻的偏差采样值,干扰最多影响3个采样时间,其他时间不受该干扰的影响。
4)位置式PID控制比增量式PID控制更容易产生积分饱和。
5)在实际控制中,增量式PID控制算法比位置式PID控制算法应用更为广泛。