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PID控制算法的C语言实现一PID算法原理2011年11月07日星期一12:30P.M.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，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.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/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？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吧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。PID控制算法的C语言实现二PID算法的离散化2011年11月07日星期一3:19P.M.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，根据偏差信息的变化趋势来进行调节，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：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，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，增量式的表达结果只和最近三次的偏差差有关，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PID控制算法的C语言实现三位置型PID的C语言实现2011年11月07日星期一6:41P.M.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_pid{floatSetSpeed;//定义设定值floatActualSpeed;//定义实际值floaterr;//定义偏差值floaterr_last;//定义上一个偏差值floatKp,Ki,Kd;//定义比例、积分、微分系数floatvoltage;//定义电压值（控制执行器的变量）floatintegral;//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：voidPID_init(){printf(PID_initbegin\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_initend\n);}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：floatPID_realize(floatspeed){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.voltage*1.0;returnpid.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：intmain(){printf(Systembegin\n);PID_init();intcount=0;while(count1000){floatspeed=PID_realize(200.0);printf(%f\n,speed);count++;}return0;}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）：PID控制算法的C语言实现四增量型PID的C语言实现2011年11月07日星期一8:32P.M.上一节中介绍了最简单的位置型PID的实现手段，这一节主要讲解增量式PID的实现方法，位置型和增量型PID的数学公式请参见我的系列文《PID控制算法的C语言实现二》中的讲解。实现过程仍然是分为定义变量、初始化变量、实现控制算法函数、算法测试四个部分，详细分类请参加《PID控制算法的C语言实现三》中的讲解，这里直接给出代码了。/**PID.c**Createdon:2011-11-7*Author:wang*/#includestdio.h#includestdlib.hstruct_pid{floatSetSpeed;//定义设定值floatActualSpeed;//定义实际值floaterr;//定义偏差值floaterr_next;//定义上一个偏差值floaterr_last;//定义最上前的偏差值floatKp,Ki,Kd;//定义比例、积分、微分系数}pid;voidPID_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;}floatPID_realize(floatspeed){pid.SetSpeed=speed;pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;floatincrementSpeed=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;returnpid.ActualSpeed;}intmain(){PID_init();intcount=0;while(count1000){floatspeed=PID_realize(200.0);printf(%f\n,speed);count++;}return0;}