PID算法通俗講解

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2、def uns i gned int typedef unsigned longsb i t ConOut 二 P1"1;uChar8;ulnt16;ulnt32；/加熱絲接到typedef struct PID Valueulnt32 I iEkVa I3;uChar8 uEkFlag 3;uChar8 uKPCoe;uChar8 uKI Coe;uChar8 uKD Coe；ulnt16 iPriVal;ulnt16 iSetVaI；ulnt16 iCurVaI； PID_ValueStr;差值保存，給定和反饋的差值/符號(hào)，1則對(duì)應(yīng)的為負(fù)數(shù)，0為對(duì)應(yīng)的為正數(shù) /比例系數(shù)積分常數(shù)微

3、分常數(shù)/上一時(shí)刻值/設(shè)定值/實(shí)際值PID_ValueStr PID； 各新數(shù)據(jù)bit g bPIDRunFlag = 0； 隔一宗時(shí)間，算一次。/定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體用來存算法中要用到的/PID運(yùn)行標(biāo)志位，PID算法不是一直在運(yùn)算。而是每/* * * * * * * * * * * * * */* 函數(shù)名稱：PID_Operation()/*函數(shù)功能：PID運(yùn)算/*入口參數(shù):無(隱形輸入,系數(shù)、設(shè)定值等)/*出口參數(shù)：無(隱形輸出.U(k)/* 函數(shù)說明:U(k) +KP* E(k) E (k-1) +KI*E (k) +KD* E(k) -2E (k-1)+E(k2)* * * * *

4、 * * * * * * * * * * * * / void PID Operation(void) 一ulnt32 Temp 3 = 0 ;/中間臨時(shí)變量ulnt32 PostSum = 0；/正數(shù)和/設(shè)定值大于實(shí)際值否？/偏差大于10否？偏差大于10為上限幅值輸出(全/否則慢慢來ulnt32 NegSum = 0;/負(fù)數(shù)和if (PIDo iSetVal > PID. iCurVal)(if (PIDo iSetVaI PID. iCurVal > 10) PIDo iPriVal = 100;速加熱)e I seTemp0 = PID. iSetVaI - PID。PID.

5、 uEkFlag1 = 0;i CurVaI；/偏差C=0,計(jì)算E (k)/E(k)為正數(shù)，因?yàn)樵O(shè)定值大于實(shí)際值/*數(shù)值進(jìn)行移位，注意順序，否則會(huì)覆蓋掉前面的數(shù)值*/PIDo IiEkVal 2 = PID. IiEkVal1；PIDo I i EkVa I 1二 PID. I iEkVal 0；PIDo IiEkVal0 = Temp0；/*if (PIDo I i EkVa I 0 > PIDO I iEkVal 1 )/E (k) >E (k1)否？Temp0 = PID. I iEkVal 0 PID. I iEkVal 1；/E (k) > E(k1)PIDo uE

6、kFlag0 = 0;/E(k)-E (k1)為正數(shù)e I seTemp0 = PID. I iEkVal 1 PIDO I iEkVal 0:/E(k)<E(k-1)PIDo uEkFlag 0 = 1;/E(k) E (k-1)為負(fù)數(shù)*/Temp2 = PID. IiEkVal 1 * 2；/2E(k-1)if ( (PIDo I i EkVa I 0 + PID. I iEkVal 2 )> Temp 2 ) /E (k2) +E(k)> 2E (k1)否？Temp2 = (PID. I iEkVal 0 + PID。I iEkVal 2)- Temp2;PIDo uE

7、kFlag2 =0；/E(k2) +E(k)-2E (k-1)為正數(shù)else/E(k2) +E (k) <2E(k-1)(Temp2 = Temp2 - (PIDo IiEkVa I 0 + PID。Ii EkVa I2);PID. uEkFlag 2 =1;/E(k-2)+E(k)2E(k-1) 為負(fù)數(shù)/* 去/Temp 0 = (ulnt32) PID. uKP Coe * Temp0 ;/KP* E (k)E (k-1)Temp1 = (ulnt32) PID。uKI_ Coe * PID. I iEkVal 0 ； /KI*E (k)Temp2 = (ulnt32)PID0 uK

8、D Coe * Temp2 ;/KD * E (k-2) +E(k)2E (k-1)/*以下部分代碼是講所有的正數(shù)項(xiàng)疊加，負(fù)數(shù)項(xiàng)疊加*/* =計(jì)算 KP*E (k)E (k1)的值=二二二 */if(PIDo uEkFlag0 = 0)PostSum += Temp 0;/正數(shù)和e I seNegSum + 二 Temp0 ；/負(fù)數(shù)和/* =計(jì)算 KI*E(k)的值= */if (PID. uEkFlag1 = 0)PostSum += Temp1 ;/正數(shù)和e I se；/* 空操作.就是因?yàn)?PID. iSetVal > PID. iCurVal (即 E (K) > 0)才

9、進(jìn)入if的，那么就沒可能為負(fù)，所以打個(gè)轉(zhuǎn)回去就是了 */* =:計(jì)算 KD*E(k2)+E (k)-2E (k-1)的值=*/ if (PIDo uEkFlag 2二二0)PostSum + 二 Temp 2 ；/正數(shù)和e I seNegSum += Temp 2 ；/負(fù)數(shù)和/ * =計(jì)算 U (k) = */PostSum += (ulnt32)PIDo iPr i VaI;if (PostSum > NegSum)/是否控制量為正數(shù)Temp0 = PostSum - NegSum;if (TempO < 100 )小于上限幅值則為計(jì)算值輸出PI Do i Pr iVaI 二(u

10、lnt16) Temp0;else PID. iPriVal = 100；/否則為上限幅值輸出else/控制量輸出為負(fù)數(shù)，則輸出0 (下限幅值輸出)PIDo iPriVal 二 0;else PIDo iPriVal 二 0;/同上，嘿嘿1/* * * * *夫*夫* * * * * * */* 函數(shù)名稱:PI D.Output 0/*函數(shù)功能:PID輸岀控制/*入口參數(shù)：無(隱形輸入,U (k)/*出口參數(shù):無(控制端)* * * * 夫 * * 夫 * 夫 * * * * * 夫 * * * * * * * * *void PID_0utput(void)static ulnt16 iTe

11、mp;static uChar8 uCounter； iTemp = PID。iPr iVaI；i f (iTemp 0)ConOut = 1; eIse ConOut 二 0; if(g.bPIDRunFlag)/不加熱/加熱/定時(shí)中斷為100ms (0o 1S),加熱周期10S (100份*0.1S)g bPIDRunFlag = 0；i f (i Temp) i Temp；/只有 iTemp>0,才有必要減"1"uCounter+;if (100 = uCounter)PID_0peration () ;/每過 0.1*100S 調(diào)用一次 PID 運(yùn)算.uCou

12、nter 二 0；/* * * * * * * 頭夫* * /* 函數(shù)名稱：PID.OutputO/*函數(shù)功能：PID輪岀控制/*入口參數(shù)：無(隱形輸入，U (k)/夫出口參數(shù)：無(控制端)* * * * * * * 未 未 * * * */void TimerOlnit (void)TMOD|二 0x01；/設(shè)置定時(shí)器0工作在模式1下THOOxDC；TLO0x00；/賦初始值TRO1;/開定時(shí)器0EA 二1;/開總中斷ETO =:1;/開定時(shí)器中斷void main (void)TimerOInit ();whi le(1)(PID-Output ()；void TimerO一ISR (vo

13、id) interrupt 1 "static ulnt16 uiCounter 二 0；THO = OxDC;TLO = 0x00；uiCounter+;if(100 二二 uiCounter)gbPIDRunFlag 二 1；總所周知，PID算法是個(gè)很經(jīng)典的東西。而做自平衡小車,飛行器PID是一 個(gè)必須翻過的坎。因此本節(jié)我們來好好講解一下PID,根據(jù)我在學(xué)習(xí)中的體 會(huì),力求通俗易懂并舉出PID的形象例子來幫助理解PID。一、首先介紹一下PID名字的由來：P： Proport io n （比例），就是輸入偏差乘以一個(gè)常數(shù)。I : Integral （積分），就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行積分運(yùn)

14、算。D： Derivative （微分），對(duì)輸入偏差進(jìn)行微分運(yùn)算。注：輸入偏差二讀出的被控制對(duì)象的值-設(shè)定值。比如說我要把溫度控制在 26度，但是現(xiàn)在我從溫度傳感器上讀出溫度為28度.則這個(gè)26度就是”設(shè) 定值28度就是“讀出的被控制對(duì)象的值”。然后來看一下，這三個(gè)元素 對(duì)PID算法的作用，了解一下即可，不懂不用勉強(qiáng)。P,打個(gè)比方，如果現(xiàn)在的輸出是1,目標(biāo)輸出是100,那么P的作用是以最 快的速度達(dá)到100,把P理解為一個(gè)系數(shù)即可；而I呢？大家學(xué)過高數(shù)的,0 的積分才能是一個(gè)常數(shù)，I就是使誤差為0而起調(diào)和作用；D呢？大家都知 道微分是求導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)數(shù)代表切線是吧，切線的方向就是最快到至高點(diǎn)的方 向

15、。這樣理解，最快獲得最優(yōu)解，那么微分就是加快調(diào)節(jié)過程的作用了。二、然后要知道PID算法具體分兩種：一種是位置式的，一種是增量式的。 在小車?yán)镆话阌迷隽渴?，為什么呢？位置式PID的輸出與過去的所有狀態(tài) 有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e （每一次的控制誤差）進(jìn)行累加，這個(gè)計(jì)算量非常大，而 明顯沒有必要。而且小車的PID控制器的輸出并不是絕對(duì)數(shù)值，而是一個(gè) ,代表增多少，減多少。換句話說，通過增量PID算法，每次輸出是PWM 要增加多少或者減小多少，而不是PWM的實(shí)際值。所以明白增量式PID就 行了.三、接著講PID參數(shù)的整定，也就是PID公式中，那幾個(gè)常數(shù)系數(shù)Kp, Ti,Td等是怎么被確定下來然后帶入PID算

16、法中的。如果要運(yùn)用PID,則 PID參數(shù)是必須由自己調(diào)出來適合自己的項(xiàng)目的通常四旋翼，自平衡車的 參數(shù)都是由自己一個(gè)調(diào)節(jié)出來的，這是一個(gè)繁瑣的過程。本次我們可以不 管，關(guān)于PID參數(shù)怎么確定的，網(wǎng)上有很多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒.比如那個(gè)經(jīng)典的 經(jīng)驗(yàn)試湊口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到 大順序查.先是比例后積分，最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大.曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。間往下降。曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間再加長(zhǎng)。曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)降下來。曲線振蕩頻率快，先把微分間應(yīng)加長(zhǎng)。動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)低四比一。理想曲線兩個(gè)波，前咼后量不會(huì)低。一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)四、接下來我們用例子來輔助我們

17、把常用的PID模型講解了。(PID控制并 不一定要三者都出現(xiàn)，也可以只是PI、PD控制，關(guān)鍵決定于控制的對(duì)象。)(下面的內(nèi)容只是介紹一下PID模型，可以不看，對(duì)理解PID沒什么用) 例子：我們要控制一個(gè)人，讓他一 PID的控制方式來行走"0步后停下來。1) P比例控制，就是讓他按照一定的比例走，然后停下。比如比例系數(shù)為 108,則走一次就走了 108步，然后就不走了。說明：P比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào) 成比例關(guān)系。但是僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。比如上面的只 能走到108,無論怎樣都走不到門0。2) PI積分控制，就是按照一定的步伐走到112步

18、然后回頭接著走，走到 108步位置時(shí),然后又回頭向110步位置走。在門0位置處來回晃蕩幾次， 最后停在門0步的位置。說明：在積分I控制中，控制器的輸出與輸入誤 差信號(hào)的積分成正比關(guān)系對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存 在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)為了消除 穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的影響取決于 時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小,積分項(xiàng) 也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，從而使穩(wěn)態(tài)誤差 進(jìn)一步減小，直到等于0因此，比例+積分(PI)控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入 穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。3) PD微分控制

19、，就是按照一定的步伐走到一百零幾步后，再慢慢地走向 門0步的位置靠近，如果最后能精確停在門0步的位置，就是無靜差控制； 如果停在"0步附近（如109步或1門步位置），就是有靜差控制. 說明：在微分控制D中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變 化率）成正比關(guān)系.自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失 穩(wěn)，原因是存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超 前”,即在誤差接近于零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在 控制器中僅引入“比例P”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差

20、的 幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)“，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。這樣，具 有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù) 值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象, 比例P+微分D（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性.五、用小明來說明PID：小明接到這樣一個(gè)任務(wù):有一個(gè)水缸有點(diǎn)漏水（而且漏水的速 度還不一定固定不變），要求水面高度維持在某個(gè)位置，一旦發(fā)現(xiàn)水面高度 低于要求位置，就要往水缸里加水。小明接到任務(wù)后就一直守在水缸旁邊, 時(shí)間長(zhǎng)就覺得無聊，就跑到房里看小說了，每30分鐘來檢查一次水面高度。 水漏得太快，每次小明來檢查時(shí),水都快漏完了

21、，離要求的高度相差很遠(yuǎn)， 小明改為每3分鐘來檢查一次，結(jié)果每次來水都沒怎么漏，不需要加水， 來得太頻繁做的是無用功。幾次試驗(yàn)后，確定每10分鐘來檢查一次.這個(gè) 檢查時(shí)間就稱為采樣周期.開始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的 距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶， 跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕 了幾次鞋，小明又動(dòng)腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn) 剛剛好，不用跑太多次，也不會(huì)讓水溢出。這個(gè)加水工具的大小就稱為比例 系數(shù)。小明又發(fā)現(xiàn)水雖然不會(huì)加過量溢出了，有時(shí)會(huì)高過要求位置比 較多，還是有打濕鞋的危險(xiǎn)。他又想了個(gè)辦法，在水缸上裝一個(gè)漏斗，每 次加水不直接倒進(jìn)水缸，而是倒進(jìn)漏斗讓它慢慢加。這樣溢出的問題解決 了，但加水的速度又慢了，有時(shí)還趕不上漏水的速度。于是他試著變換不 同大小口徑的漏斗來控制加水的速度，最后終于找到了滿意的漏斗。漏斗的 時(shí)間就稱為積分時(shí)間。小明終于喘了一口，但任務(wù)的要求突然嚴(yán)了，水位控制的及時(shí) 性要求大大提高，一旦水位過低，必須立即將水加到要求位置，而且