PID算法的C代码实现

PID算法是一个非常经典的东西。要打造自平衡小车，飞行器的PID是一个需要克服的障碍。因此，本节我们将根据自己的学习经验，仔细讲解PID，尽量使其通俗易懂。并给出清晰的PID例子，帮助你理解PID。
1. 首先介绍一下PID名称的由来：
P：比例，即输入偏差乘以一个常数。
I：积分，即对输入偏差进行积分运算。
D：求导，对输入偏差进行微分运算。
注：输入偏差=被控对象读取值-设定值。比如我想把温度控制在26度，但现在温度传感器上读到的是28度。那么这个26度就是“设定值”，28度就是“被控对象的读取值”。接下来我们看看这三个要素对PID算法的影响。就明白了。如果你不明白，就不要强求。
P，比如当前输出为1，目标输出为100，那么P的作用就是尽快达到100。仅将 P 视为一个系数；关于我的什么对于学过高等数学的人来说，积分 0 是一个常数。我让误差为0，起到和谐的效果；那么D呢？大家都知道微分就是导程，导程代表正切，对吧？切线方向是到达最高点最快的方向。通过这种方式理解的最优解可以尽快达到，然后分化就可以起到加速适应过程的作用。

2。那么你应该知道PID算法有两种类型：一种是位置式的，另一种是增量式的。增量式常用于汽车。为什么？位置 PID 输出与所有过去的状态相关联。计算时必须加上e（每次的控制误差）。这个计算量非常大，显然没有必要。另外，汽车的PID控制器的输出不是绝对值，而是△，代表增加或减少的多少。也就是说，通过增量式PID算法，每次输出的是PWM应该增加或减少多少，而不是实际的PWM值。所以只要理解增量PID即可。

3。接下来我们来说说PID参数的设置，即常数系数Kp、Ti、Td等如何确定。 PID公式中，然后转移到PID算法中。如果你想使用PID，你需要自己调整PID参数以适合你的项目。通常，四轴飞行器和自平衡飞行器的参数需要自己调整，这是一个繁琐的过程。这次我们可以忽略它。关于如何确定PID参数，网上有很多经验可以借鉴。比如经典的试错公式：
找到最佳的参数设置，从小到大的顺序检查。
首先是分数，然后是积分，最后是微分。
曲线经常波动，所以必须放大比例刻度盘。
曲线围绕一条大曲线徘徊，比率刻度盘朝下。
曲线偏差慢慢恢复，积分时间减少。
曲线的摆动周期较长，积分时间也会较长。
曲线摆频较快，先减小差值。
如果动态差值较大，则振荡较慢，应延长差值时间。
理想的曲线有两波，前高后低四比一。
一次查看，两次调整，多次分析，调整质量不会低。

4。然后我们使用示例来帮助解释常用的 PID 模型。 （PID控制不一定要求三者都出现，也可以只有PI和PD控制，关键看控制对象。）（以下内容仅是PID模型的介绍，您无需阅读对理解PID没有用）
例子：我们要控制一个人，让他走110步，然后停止使用PID控制方法。
1）P比例控制就是让它按照一定的比例运行然后停止。例如，如果比率系数为108，则您将走一次108步，然后停止行走。
注：P比例控制是最简单的控制方法。控制器输出与误差输入信号成比例。然而，当只有比例控制时，系统输出存在稳态误差。比如上面只能到108，但是无论如何也到不了110。
2）积分PI控制是按照一定的步速，直到步骤112，然后返回继续行走。当到达108步位置时，返回到110步位置，在110位置来回摆动几次，最后停在110步位置。注：在积分控制I中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。对于自动控制系统，如果进入稳态后出现稳态误差，则称该控制系统存在稳态误差，或者简称为微分系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项对误差的影响取决于时间积分。随着时间的增加，积分表达式会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的推移而增加，从而促使控制器的输出功率增加，进一步减小稳态误差，直到等于0。因此，一个比例+积分（PI）控制器可以使系统进入稳定状态后在稳定状态下无误差。
3）微分PD控制是指以一定的配速行走一百步左右，然后慢慢接近110步的位置。如果它最终能准确地停在110步位置，那么它就不是静态微分控制。 ;如果在步骤110附近停止(例如步骤109或步骤111)，则存在静态微分控制。
注：在微分控制D中，控制器输出与误差输入信号的微分（即误差的变化率）成正比。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至不稳定。原因是存在较大的惯性分量（连杆）或具有误差抑制作用的滞后分量，其变化总是滞后于误差变化。解决办法是“引导”纠错效果的变化，即当误差接近于零时，纠错效果应该为零。这意味着仅仅将“比例 P”引入控制器通常是不够的。比例项的作用只是增加误差的幅度。现在必须添加一个“微分项”，它可以预测误差变化的趋势。 。这样，比例+微分控制器就可以提前使误差抑制控制效果为零甚至负值，从而避免被控量严重超调。因此，对于惯性较大或滞后的被控对象，采用比例P+微分D（PD）控制器可以改善系统在调节过程中的动态特性。

5。用小明解释一下PID：
小明接到这个任务：水箱有一点漏水（而且漏水率不一定是固定的），需要水面高度保持在某个位置。如果发现水面高度低于所需位置，请向水箱加水。接到任务后，小明站在水箱旁。时间长了，他觉得无聊，就跑进房间看小说，每隔30分钟检查一下水位。水漏得太快了。每次小明来查看，水都快没了。她离要求的身高还很远。小明改成每3分钟检查一次。结果每次都没有漏水，也不需要加水。 ，来得太频繁是无用功。尝试几次后每 10 分钟检查一次。这个审查时间称为抽样周期。起初，小明用勺子加水。水龙头距离水库有十几米。他常常要跑好几次才能补充足够的水。于是，小明改用水桶加水。他一边补充一边把水桶装满了。运行次数减少，加水速率增加。差一点就到了，但是水箱溢出了好几次，我也好几次不小心弄湿了鞋子。小明再次尽力了。我没有用勺子或水桶，但我用了紫菜。几次之后我发现这样就可以了，不用跑太远。不要让水多次溢出。这个加水工具的大小称为比例系数。
小明也意识到，虽然水不会溢出，但有时会高于要求的位置，仍然存在弄湿鞋子的风险。他想出了另一种方法，在水箱顶部放一个漏斗。每次加水的时候，他都不是直接倒进水箱里，而是倒进一个漏斗里，让它慢慢地倒。这样，溢出的问题解决了，但是加水的速度慢，有时跟不上漏水的速度。于是，他尝试更换不同尺寸的漏斗来控制加水速度，最终找到了自己满意的漏斗。漏斗时间称为积分时间。
小明终于松了一口气，但任务的要求突然变得更加严格，水位控制的时效性要求大大提高。当水位太低时，必须立即加水至所需位置，但不能太高，否则工资不发。小明又遇到麻烦了！于是他苦苦思索，终于请他想办法了。他总是在旁边放一个备用的水槽。当他意识到水位低时，他只是将容器装满水，而没有通过漏斗。这样保证了时效，但有时水位会很高。太多了。然后，他在水箱所需水位的上方钻了一个孔，然后将一根软管连接到下面的储水桶上，以便多余的水从上面的孔中排出。水流出的速率称为微分时间。

6.理解代码中的PID：（仔细看注释，很容易理解。注意下面的PID公式）
先看增量式PID公式：
PID=Uk+ KP* [ E(k) -E(k-1)]+KI*E(k)+KD*【E(k)-2E(k-1)+E(k-2)】
在单片机中使用 PID由于速度和 RAM - 通常不使用浮点数。这里我们以整型变量为例来描述PID在微控制器中的使用。由于它是使用整数实现的，因此不太准确。但对于一般场合来说，这个精度已经足够了。程序中将系数和温度提高了10倍，因此精度不是很高，但对于大多数场合来说已经足够了。如果不够，可以再增加10倍。或者如果不超出整个数据类型的范围，则进行 100 倍处理。下面的程序包括两部分：PID计算和输出。当偏差>10度时，将全速加热。当偏差在10度以内时，输出PID运算。
程序说明：以下程序请先看main函数。我们可以看到，PID_Output()函数是在初始化定时器0之后执行的。在PID_Output()函数中，首先使用iTemp变量来获取PID运算的结果，以决定是否开始加热电热丝。下面的 if 语句与计时器结合来确定 PID 算法执行的频率。 PID_Operation()函数看起来很复杂，但它实际上做了一件事：它使用PID公式根据提供的数据计算最终的PID值。
#include
typedef unsigned char uChar8;
typedef unsigned int uInt16;
typedef unsigned long int uInt32;

sbit ConOut = P1^1; //加热丝连接到端口P1.1

typedef struct PID_Value
{
uInt32 liEkVal[3]; //差异被存储，根据给定和反馈的差异反 UCHAR8 UEKFLAG [3]; //符号，1对应负数，0对应对应数字
uchar8 ukp_coe; // 比例系数
uchar8 uki_coe ; ;
uInt16 iCurVal； //实际值
}PID_ValueStr;

PID_ValueStr PID；总是在计算。相反，会计算每个指定的时间段。
/* ************************************************* * ************
/* 函数名称: PID_Operation()
/* 函数功能: PID 运算
/* 输入参数: 无（不可见输入、系数、设定值、等) .)
/* 导出参数: None (不可见输出, U(k))
/* 函数说明: U(k)+KP*[E(k)-E(k-1) ] +KI *E(k)+KD*[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]
**************** ** ** ***************************************** */
void PID_Operation(void )
{
uInt32 Temp[3] = {0}; //中间临时变量
uInt32 PostSum = 0; //正数和
uInt32 NegSum = 0; //负数和
if(PID.iSetVal > PID.iCurVal) //设定值是否大于实际值？
{
if(PID.iSetVal - PID.iCurVal > 10) //偏差是否大于10？ ？ Temp[0] = PID.iSetVal - PID .iCurVal； //偏差 PID.liEkVal[1]) //E(k)>E(k-1)否？
{
温度[0] = PID.liEkVal[0] - PID.liEkVal[1]; //E(k)>E(k-1)
PID.uEkFlag[0] = 0 ; ; ; //E(k) Temp[2]) //E(k-2)+E(k)>2E( k-1) 不？
{
Temp[2] = (PID.liEkVal[0] + PID.liEkVal[2]) - Temp[2];
PID.uEkFlag[2]=0; -2)+E(k)-2E(k-1) 是正数
}
，否则
Temp[2] = Temp[2] - (PID.liEkVal[0] + PID. liEkVal [2]);
PID.uEkFlag[2] = 1; E(k)-2E(k-1) 是负数
}
/* ============================ = == ========================================== */
温度[ 0] = ( uInt32)PID.uKP_Coe * Temp[0]; //KP*[E(k)-E(k-1)]
Temp[1] = (uInt32)PID.uKI_Coe * PID.liEkVal[0]; //KI*E(k)
Temp[2] = (uInt32)PID.uKD_Coe * Temp[2]; //KD*[E(k-2)+E(k)-2E(k-1 )]
/*接下来的代码是所有正项的叠加和负项的叠加* /
/* =========计算KP的值*[E(k)-E(k-1)] ========= */
if(PID.uEkFlag[ 0] == 0)
PostSum += Temp[0]; /* ===== ==== 计算KI*E(k)的值 ========= */
if(PID.uEkFlag[1] == 0)
PostSum + = Temp[1]; //正数和
else
; /* 无操作。输入 if 因为 PID.iSetVal > PID.iCurVal (即 E(K)>0),
那么不能为负数，所以反转 */
/* === ==== = =计算KD*[E(k-2)+E(k)-2E(k-1)]==========的值 */
if(PID.uEkFlag [2] = =0)
PostSum += Temp[2];使用   使用
               ‐              ‐ off out-out off
else
NegSum += Temp[2]; 。 ======计算U(k) ========= */
PostSum += (uInt32)PID.iPriVal;
if(PostSum > NegSum) //是控制量iPriVal = (uInt16 )Temp[0];
else PID.iPriVal = 100; 是正数。使用 z 0 输出 0（幅度输出下限）
PID.iPriVal = 0;
}
}
否则 PID.iPriVal = 0; *****************************************************
/*函数名称：PID_Output ()
/* 功能：PID 输出控制
/* 输入参数：None（不可见输入，U(k)）
/* 输出参数：None（控制结束）
*** * ************************************************* **** ** * *** */
void PID_Output(void)
{
static uInt16 iTemp;
static uChar8 uCounter;
iTemp = PID.iPriVal;
if(iTemp == 0 )
ConOut = 1; //不加热
else ConOut = 0; //预热
if(g_bPIDRunFlag) //定时中断100ms（0.1S），预热周期10S（100份*0.1S）
{
g_bPIDRunFlag = 0;
if( iTemp) iTemp——； == uCounter)
{
PID_Operation(); //每隔0.1*100S调用一次PID运算。
uCounter = 0;
}
}
}
/* ************************** **** *** *********************************
/* 函数名称: PID_Output()
/* 函数功能：PID 输出控制
/* 输入参数：无（不可见输入，U(k)）
/* 输出参数：无（控制端子）
******** **** * ********************************************** */
void Timer0Init(void)
{
TMOD |= 0x01; // 设置定时器0工作在模式1
TH0 = 0xDC;
TL0 = 0x00; // 赋予初始值
TR0 =1; {
Timer0Init();
while(1)
{
PID_Output();
}
}

void Timer0_ISR(void) 中断 1
{
静态 uInt16 uiCounter = 0;
TH0 = 0xDC;
TL0 = 0x00;
uiCounter++;
if(100 == uiCounter)
{
g_bPIDRunFlag = 1;
}
}