代码收藏家技术教程 2024-09-01

PID算法原理详解及其实践指南

文章目录

PID算法详解与实现

一、什么是PID算法

二、PID算法的C语言实现

三、使用cJSON辅助调节PID

四、使用VOFA+调节PID

PID算法详解与实现

一、什么是PID算法

PID算法简介
📘 定义：PID控制（比例-积分-微分控制）是一种常见的反馈控制算法，用于将实际输出与目标值进行比较，并根据偏差进行调整。🌐[维基百科]
🔧 应用：PID控制广泛应用于工业自动化系统，如温度控制、位置控制、速度控制等。🌐[知乎]
PID控制器的基本原理
⚙️ 比例控制（P）：比例控制根据当前偏差值进行调整，调节器的输出与偏差成正比。控制力度过大可能导致系统不稳定，过小则响应过慢。
🧮 积分控制（I）：积分控制根据历史误差累积进行调整，能消除长期存在的偏差，但可能导致系统超调或振荡。
📈 微分控制（D）：微分控制根据偏差变化速率进行调整，能预测误差趋势，快速响应变化，但对噪声较敏感。🌐[博客网]
PID控制器的优缺点
✅ 优点：
结构简单，易于实现。
控制效果好，适应性强。
❌ 缺点：
参数整定复杂，需要经验和调试。
对环境变化敏感，可能需要定期调整。🌐[CSDN]

二、PID算法的C语言实现

PID算法的数学公式
📐 标准公式：

其中，( K_p ) 是比例系数，( K_i ) 是积分系数，( K_d ) 是微分系数，( e(t) ) 是当前误差。

PID算法的伪代码
💻 伪代码：

previous_error = 0        // 初始化上一次误差为0
integral = 0              // 初始化积分项为0
loop:                     // 开始循环
error = setpoint - measured_value    // 计算当前误差
integral = integral + error * dt     // 计算误差的累积积分
derivative = (error - previous_error) / dt  // 计算误差的变化率（微分）
output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative  // 计算PID输出
previous_error = error    // 更新上一次误差为当前误差
wait(dt)                 // 等待时间间隔dt
goto loop                // 回到循环开始

PID算法的C语言实现代码
💾 实现代码：
PID.h

#ifndef __PID_H
#define __PID_H

typedef struct
{
    float target_val; // 目标值
    float actual_val; // 实际值
    float err;        // 误差
    float err_last;   // 上次误差
    float err_sum;    // 累计误差
    float Kp;         // 比例
    float Ki;         // 积分
    float Kd;         // 微分系数
} tPID;

// 定义一个结构体类型变量
extern tPID PID;       //结构体名根据自己需要设置

// 给结构体类型变量赋初值
void PID_Init(void);
// PID控制函数
float PID_Realize(tPID *pid, float actual_val);
float Incremental_PID_Realize(tPID *PID, float position, float actual_val);

#endif

PID.c

#include "PID.h"

// 定义一个结构体类型变量
tPID PID;

// 给结构体类型变量赋初值
void PID_Init()
{
    PID.target_val = 0.00;
    PID.actual_val = 0.00;
    PID.err = 0.00;
    PID.err_last = 0.00;
    PID.err_sum = 0.00;
    PID.Kp = 0.00;
    PID.Ki = 0.00;
    PID.Kd = 0.00;
}

/*******************
*  @brief  位置式PID控制函数
*  @param  *PID: 指向PID控制器结构体的指针
*          actual_val: 当前实际值
*  @return 调节后的输出值
*******************/
float Position_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);
    PID->err_last = PID->err; // 保存当前误差以备下次使用
    return PID->actual_val;   // 返回控制器输出的实际值
}

/*******************
 *  @brief  增量式PID控制函数
 *  @param  *PID: 指向PID控制器结构体的指针
 *          actual_val: 当前实际值
 *          target_val: 目标值
 *  @return 调节后的输出位置
 *******************/
float Incremental_PID_Realize(tPID *PID, float actual_val, float target_val)
{
    float increment;          // 增量变量
    PID->err = actual_val - target_val; // 当前误差
    PID->err_sum += PID->err; // 误差累计值 = 当前误差累计和
    // 计算增量 = Kp*当前误差  +  Ki*误差累计值 + Kd*(当前误差-上次误差)
    increment = PID->Kp * PID->err + PID->Ki * PID->err_sum + PID->Kd * (PID->err - PID->err_last);
    PID->err_last = PID->err;    // 保存当前误差以备下次使用
    return actual_val + increment; // 返回当前位置加上增量
}

代码注释与解析
结构体定义：PID 结构体包含了PID参数和历史误差信息。
初始化函数：PID_Init函数初始化了PID控制器的参数。

三、使用cJSON辅助调节PID

cJSON简介

cJSON是一个轻量级的JSON解析库，用于在C语言中处理JSON数据。它的主要功能包括生成和解析JSON字符串，使得在嵌入式系统中处理数据更加方便快捷。
cJSON的主要作用
📦 数据打包： 将PID算法的调试数据打包成JSON格式，以便传输。
🔍 数据解析： 在VOFA+中解析JSON数据并绘制波形。
cJSON的使用
安装与配置:
首先下载并安装cJSON库，将其添加到项目中。可以通过以下方式安装：🌐[github链接]
将cJSON.c和cJSON.h文件添加到工程中，并在代码中包含头文件。
JSON数据的解析与调试：

#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); // 解析接收缓冲区中的JSON数据

    if (cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "p") != NULL) // 检查是否存在键"p"
    {
        cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "p"); // 获取键"p"的值
        p = cJsonVlaue->valuedouble;                      // 将值赋给变量p
        PID.Kp = p;                                       // 设置PID的Kp参数
    }
    if (cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "i") != NULL) // 检查是否存在键"i"
    {
        cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "i"); // 获取键"i"的值
        i = cJsonVlaue->valuedouble;                      // 将值赋给变量i
        PID.Ki = i;                                       // 设置PID的Ki参数
    }
    if (cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "d") != NULL) // 检查是否存在键"d"
    {
        cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "d"); // 获取键"d"的值
        d = cJsonVlaue->valuedouble;                      // 将值赋给变量d
        PID.Kd = d;                                       // 设置PID的Kd参数
    }
    if (cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "target_val") != NULL) // 检查是否存在键"target_val1"
    {
        cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData, "target_val"); // 获取键"target_val"的值
        target_val1 = cJsonVlaue->valuedouble;                      // 将值赋给变量target_val
        PID.target_val = target_val;                               // 设置PID的目标值
    }
    if (cJsonData != NULL)
    {
        cJSON_Delete(cJsonData); // 释放cJSON对象内存
    }
    memset(Usart1_ReadBuf, 0, 255); // 清空接收缓冲区
}
printf("P:%.3f  I:%.3f  D:%.3f target_val:%.3f\n", p, i, d, target_val); // 打印当前PID参数和目标值

四、使用VOFA+调节PID

VOFA+的简介
VOFA+是一款直观、灵活、强大的插件驱动高自由度的上位机，在与电气打交道的领域里，如自动化、嵌入式、物联网、机器人等，都能看到VOFA+的身影。VOFA+的名字来源于：Volt/伏特、Ohm/欧姆、Fala/法拉、Ampere/安培，是电气领域的基础单位，与他们的发明者——4位电子物理学领域的科学巨人，分别同名。他们的首字母共同构成了VOFA+的名字。
VOFA+的使用
🛠 基础设置：
🖥 界面设置：
实时调参
⚙️ 配置串口(以串口1为例)
调大堆栈

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
}

🔧 通过发送数据调参
重定向fputc

typedef struct __FILE FILE;

int fputc(int ch, FILE *stream)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}

mian.c中添加此句形成波形。

 printf("MotorSpeed:%f,\n", MotorSpeed);     //根据自己的变量名进行修改

串口输出栏发送
{"p":0.00,"i":0.00,"d":0.00,"target_val":0.00}改变Kp、Ki、Kd和target_val的值，实现调试效果

串口调参

📊 验证效果
波形示例

作者：Weizzzzzzz

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