PID控制算法的C语言实现(完整版)(2).docx

PID控制算法的C语言实现一PID算法原理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):输入量为rin(t);输出量为rout(t);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:规定这个流程是用来为直流电机调速的输入量rin(t)为电机转速预定值;输出量rout(t)为电机转速实际值;执行器为直流电机;传感器为光电码盘,假设码盘为10线;直流电机采用PWMS速转速用单位转/min表示;不难看出以下结论:输入量rin(t)为电机转速预定值(转/min);输出量rout(t)为电机转速实际值(转/min);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:通过PID环节之后的U(t)是什么值呢控制执行器(直流电机)转动转速应该为电压值(也就是 PWM占空比)。那么U(t)与PW之间存在怎样的联系呢(见附录1)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把直流电机的特性理解为线性(见附录2)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。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;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。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。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,根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节,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:偏差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KpKi、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,增量式的表达结果和最近三次的偏差有关,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;例系数Kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。Kp越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但是容易产生超调,甚至会使