代码收藏家 STM32单片机PID控制及调参方法详解
第八章-PID-速度控制
8.1-速度控制探索
前面我们已经能够通过编码器测量出速度值，下面我们来控制速度
我们先编写一个简单的控制方法
要求：讲转速控制再2.9-3.1转每秒
可以把中断里面不重要的输出注释掉
if(Motor1Speed>3.1) Motor1Pwm--;
if(Motor1Speed<2.9) Motor1Pwm++;
if(Motor2Speed>3.1) Motor2Pwm--;
if(Motor2Speed<2.9) Motor2Pwm++;
Motor_Set(Motor1Pwm,Motor2Pwm);
printf("Motor1Speed:%.2f Motor1Pwm:%d\r\n",Motor1Speed,Motor1Pwm);
printf("Motor2Speed:%.2f Motor2Pwm:%d\r\n",Motor2Speed,Motor2Pwm);
HAL_Delay(100);
开始实验
现象就开始电机没有到达3转每秒，PWM占空比逐渐增大，电机逐渐达到要求转速、到达要求转速后我们增加阻力，电机变慢，阻力大小不边PWM占空比逐渐更大转速逐渐更大。
这样我们就把转速控制到我们想要的范围，但是我们并不满意、能够看出来控制的速度很慢，给电机一些阻力电机至少要2-3秒能够调整过来，这在一些场景是不允许的。
我们理想的控制效果是：在电机转速很慢的是时候能快速调整，在电机一直转的不能达到要求时候能够更快速度调整
8.2-准备工作-匿名上位机曲线显示速度波形方便观察数据
为了方便观察电机速度数据，我们通过上位机曲线显示一下。
这里我们使用的上位机是匿名上位机-大佬写的非常稳定功能也很多
我使用的版本是:匿名上位机V7.2.2.8版本推荐大家和我使用一样
匿名上位机官方下载链接:https://www.anotc.com/wiki/%E5%8C%BF%E5%90%8D%E4%BA%A7%E5%93%81%E8%B5%84%E6%96%99/%E8%B5%84%E6%96%99%E4%B8%8B%E8%BD%BD%E9%93%BE%E6%8E%A5%E6%B1%87%E6%80%BB
我们要把STM32数据发送到匿名上位机，就要满足匿名上位机的数据协议要求
在匿名上位机资料下载链接，可以下载到协议介绍
匿名上位机V7通信协议，20210528发布：https://pan.baidu.com/s/1nGrIGWj6qr9DWOcGpKR51g 提取码：z8d1
CSDN 慕羽★大佬写的协议解析教程博客:https://blog.csdn.net/qq_44339029/article/details/106004997
1.先补充一下大小端模式
这是因为在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为 8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit的long型（要看具体的编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如和将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。例如一个16bit的short型x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高字节，0x22为低字节。对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。
所谓的大端模式（BE big-endian），是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中（低对高，高对低）；
所谓的小端模式（LE little-endian），是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中（低对低，高对高）。
常见的单片机大小端模式：（1）KEIL C51中，变量都是大端模式的，而KEIL MDK中，变量是小端模式的。（2）SDCC-C51是小端寻址，AVRGCC 小端寻址.（3）PC小端，大部分ARM是小端 （4）总起来说51单片机一般是大端模式，32单片机一般是小端模式.
2.看一下上位机要求的协议
灵活格式帧(用户自定义帧)
前面我们好理解
0xAA:一个字节表示开始
0xFF:一个字节表示目标地址
0xF1:一个字节表示发送功能码
1-40：一个字节表示数据长度
数据内容有多个字节如何发送
因为串口每次发送一个字节，但是数据可能是int16_t 16位的数据，或者int32_t 32位数据，每次发送16位数据,先发送数据低八位，还是先发送数据高八位那?
匿名协议通信介绍给出：DATA 数据内容中的数据，采用小端模式传送，低字节在前，高字节在后。
那么就要求，比如我们在发送16位数据0x2314我们要先发送低字节0x14,然后发送高字节0x23
那么如何解析出低字节或者高字节，就需要知道多字节数据在单片机里面是怎么存的，因为STM32是小端存储，所以低字节就在低位地址中，高字节高位地址中。
如果使用32单片机 小端模式，0x23高地址，0x14在低地址，所以我们要先发低地址，再发高地址。
下面就是对16位数据，或者32位数据的拆分
//需要发送16位,32位数据，对数据拆分，之后每次发送单个字节
//拆分过程：对变量dwTemp 去地址然后将其转化成char类型指针，最后再取出指针所指向的内容
#define BYTE0(dwTemp) (*(char *)(&dwTemp))
#define BYTE1(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 3))
拆分后我们按照协议要求发送数据就可以了
niming.c
#include "niming.h"
#include "main.h"
#include "usart.h"
uint8_t data_to_send[100];
//通过F1帧发送4个uint16类型的数据
void ANO_DT_Send_F1(uint16_t _a, uint16_t _b, uint16_t _c, uint16_t _d)
{
uint8_t _cnt = 0; //计数值
uint8_t sumcheck = 0; //和校验
uint8_t addcheck = 0; //附加和校验
uint8_t i = 0;
data_to_send[_cnt++] = 0xAA;//帧头
data_to_send[_cnt++] = 0xFF;//目标地址
data_to_send[_cnt++] = 0xF1;//功能码
data_to_send[_cnt++] = 8; //数据长度
//单片机为小端模式-低地址存放低位数据，匿名上位机要求先发低位数据，所以先发低地址
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_d);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_d);
for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
{
sumcheck += data_to_send[i];//和校验
addcheck += sumcheck;//附加校验
}
data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
data_to_send[_cnt++] = addcheck;
HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//这里是串口发送函数
}
//，通过F2帧发送4个int16类型的数据
void ANO_DT_Send_F2(int16_t _a, int16_t _b, int16_t _c, int16_t _d) //F2帧 4个 int16 参数
{
uint8_t _cnt = 0;
uint8_t sumcheck = 0; //和校验
uint8_t addcheck = 0; //附加和校验
uint8_t i=0;
data_to_send[_cnt++] = 0xAA;
data_to_send[_cnt++] = 0xFF;
data_to_send[_cnt++] = 0xF2;
data_to_send[_cnt++] = 8; //数据长度
//单片机为小端模式-低地址存放低位数据，匿名上位机要求先发低位数据，所以先发低地址
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_d);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_d);
for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
{
sumcheck += data_to_send[i];
addcheck += sumcheck;
}
data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
data_to_send[_cnt++] = addcheck;
HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//这里是串口发送函数
}
//通过F3帧发送2个int16类型和1个int32类型的数据
void ANO_DT_Send_F3(int16_t _a, int16_t _b, int32_t _c ) //F3帧 2个 int16 参数 1个 int32 参数
{
uint8_t _cnt = 0;
uint8_t sumcheck = 0; //和校验
uint8_t addcheck = 0; //附加和校验
uint8_t i=0;
data_to_send[_cnt++] = 0xAA;
data_to_send[_cnt++] = 0xFF;
data_to_send[_cnt++] = 0xF3;
data_to_send[_cnt++] = 8; //数据长度
//单片机为小端模式-低地址存放低位数据，匿名上位机要求先发低位数据，所以先发低地址
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE2(_c);
data_to_send[_cnt++] = BYTE3(_c);
for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
{
sumcheck += data_to_send[i];
addcheck += sumcheck;
}
data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
data_to_send[_cnt++] = addcheck;
HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//这里是串口发送函数
}
niming.h
#ifndef NIMING_H
#define NIMING_H
#include "main.h"
//需要发送16位,32位数据，对数据拆分，之后每次发送单个字节
//拆分过程：对变量dwTemp 去地址然后将其转化成char类型指针，最后再取出指针所指向的内容
#define BYTE0(dwTemp) (*(char *)(&dwTemp))
#define BYTE1(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 3))
void ANO_DT_Send_F1(uint16_t, uint16_t _b, uint16_t _c, uint16_t _d);
void ANO_DT_Send_F2(int16_t _a, int16_t _b, int16_t _c, int16_t _d);
void ANO_DT_Send_F3(int16_t _a, int16_t _b, int32_t _c );
#endif
添加测试代码
//电机速度等信息发送到上位机
//注意上位机不支持浮点数，所以要乘100
ANO_DT_Send_F2(Motor1Speed*100, 3.0*100,Motor2Speed*100,3.0*100);
下面设置上位机-数据解析
这个是控制效果，并不理想，后面我们介绍PID控制
8.3-P I D 逐个参数理解
加入的现在 过去 未来概念
p:现在
i:过去
d:未来
那么我们就开始写PID
PID的结构体类型变量、里面成员都是浮点类型
先在pid.h声明一个结构体类型、声明.c中的函数
#ifndef __PID_H
#define __PID_H
//声明一个结构体类型
typedef struct
{
float target_val;//目标值
float actual_val;//实际值
float err;//当前偏差
float err_last;//上次偏差
float err_sum;//误差累计值
float Kp,Ki,Kd;//比例，积分，微分系数
} tPid;
//声明函数
float P_realize(tPid * pid,float actual_val);
void PID_init(void);
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val);
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val);
#endif
然后在pid.c中定义结构体类型变量
#include "pid.h"
//定义一个结构体类型变量
tPid pidMotor1Speed;
//给结构体类型变量赋初值
void PID_init()
{
pidMotor1Speed.actual_val=0.0;
pidMotor1Speed.target_val=0.00;
pidMotor1Speed.err=0.0;
pidMotor1Speed.err_last=0.0;
pidMotor1Speed.err_sum=0.0;
pidMotor1Speed.Kp=0;
pidMotor1Speed.Ki=0;
pidMotor1Speed.Kd=0;
}
//比例p调节控制函数
float P_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//当前误差=目标值-真实值
//比例控制调节 输出=Kp*当前误差
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err;
return pid->actual_val;
}
//比例P 积分I 控制函数
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//当前误差=目标值-真实值
pid->err_sum += pid->err;//误差累计值 = 当前误差累计和
//使用PI控制 输出=Kp*当前误差+Ki*误差累计值
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum;
return pid->actual_val;
}
// PID控制函数
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;当前误差=目标值-真实值
pid->err_sum += pid->err;//误差累计值 = 当前误差累计和
//使用PID控制 输出 = Kp*当前误差 + Ki*误差累计值 + Kd*(当前误差-上次误差)
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum + pid->Kd*(pid->err - pid->err_last);
//保存上次误差: 这次误差赋值给上次误差
pid->err_last = pid->err;
return pid->actual_val;
}
然后在main中要调用PID_init();函数
PID_init();
p调节函数函数只根据当前误差进行控制
//比例p调节控制函数
float P_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目标值减去实际值等于误差值
//比例控制调节
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err;
return pid->actual_val;
}
主函数-可以估算当p=10 就有较好的响应速度
先看根据p比例控制的效果
p调节 电机稳态后还是存在误差。
下面加入i 调节也就是加入历史误差
pi的控制函数
//比例P 积分I 控制函数
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目标值减去实际值等于误差值
pid->err_sum += pid->err;//误差累计求和
//使用PI控制
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum;
return pid->actual_val;
}
因为实际值1.6的时候误差为1.4 上次偏差1.4和这次偏差1.4相加2.8 我们乘5 等于10点多就会有较好控制效果
这是pi 调节的控制效果
下面是PID调节的
// PID控制函数
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
pid->actual_val = actual_val;//传递真实值
pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目标值减去实际值等于误差值
pid->err_sum += pid->err;//误差累计求和
//使用PID控制
pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum + pid->Kd*(pid->err - pid->err_last);
//保存上次误差:最近一次 赋值给上次
pid->err_last = pid->err;
return pid->actual_val;
}
8.4-加入cJSON方便上位机调参
调大堆栈
软件开启中断
开启接收中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_RXNE); //开启串口1接收中断
中断回调函数
uint8_t Usart1_ReadBuf[256]; //串口1 缓冲数组
uint8_t Usart1_ReadCount = 0; //串口1 接收字节计数
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_RXNE))//判断huart1 是否读到字节
{
if(Usart1_ReadCount >= 255) Usart1_ReadCount = 0;
HAL_UART_Receive(&huart1,&Usart1_ReadBuf[Usart1_ReadCount++],1,1000);
}
编写函数用于判断串口是否发送完一帧数据
extern uint8_t Usart1_ReadBuf[255]; //串口1 缓冲数组
extern uint8_t Usart1_ReadCount; //串口1 接收字节计数
//判断否接收完一帧数据
uint8_t Usart_WaitReasFinish(void)
{
static uint16_t Usart_LastReadCount = 0;//记录上次的计数值
if(Usart1_ReadCount == 0)
{
Usart_LastReadCount = 0;
return 1;//表示没有在接收数据
}
if(Usart1_ReadCount == Usart_LastReadCount)//如果这次计数值等于上次计数值
{
Usart1_ReadCount = 0;
Usart_LastReadCount = 0;
return 0;//已经接收完成了
}
Usart_LastReadCount = Usart1_ReadCount;
return 2;//表示正在接受中
}
然后我们把cJSON库放入工程里面
下载cJSON新版
gtihub链接:https://github.com/DaveGamble/cJSON
百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1AcNHtZuv5bokMQ2f6QoG7Q
提取码：a422
和添加其他文件一样，加入工程，然后指定路径
编写解析指令的函数
#include "cJSON.h"
#include <string.h>
cJSON *cJsonData ,*cJsonVlaue;
if(Usart_WaitReasFinish() == 0)//是否接收完毕
{
cJsonData = cJSON_Parse((const char *)Usart1_ReadBuf);
if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"p") !=NULL)
{
cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"p");
p = cJsonVlaue->valuedouble;
pidMotor1Speed.Kp = p;
}
if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"i") !=NULL)
{
cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"i");
i = cJsonVlaue->valuedouble;
pidMotor1Speed.Ki = i;
}
if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"d") !=NULL)
{
cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"d");
d = cJsonVlaue->valuedouble;
pidMotor1Speed.Kd = d;
}
if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"a") !=NULL)
{
cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"a");
a = cJsonVlaue->valuedouble;
pidMotor1Speed.target_val =a;
}
if(cJsonData != NULL){
cJSON_Delete(cJsonData);//释放空间、但是不能删除cJsonVlaue不然会 出现异常错误
}
memset(Usart1_ReadBuf,0,255);//清空接收buf，注意这里不能使用strlen
}
printf("P:%.3f I:%.3f D:%.3f A:%.3f\r\n",p,i,d,a);
测试发送cJSON数据就会解析收到数据
然后我们赋值改变一个电机的PID参数和目标转速
然后我们通过串口发送命令，就会改变PID的参数了
这么我们的第八章就弄好了，下篇我们进行第九章-PID整定
作者：好家伙VCC
