PID控制算法地C语言实现(完整编辑版~).doc

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1、-_PIDPID 控制算法的控制算法的 C C 语言实现一语言实现一 PIDPID 算法原理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，

2、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）：1.输入量为 rin(t);2.输出量为 rout(t);3.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：1.规定这个流程是用来为直流电机调速的;-_2.输入量 rin(t)为电机转速预定值;

3、3.输出量 rout(t)为电机转速实际值;4.执行器为直流电机;5.传感器为光电码盘，假设码盘为 10 线;6.直流电机采用 PWM 调速 转速用单位 转转/min/min 表示;不难看出以下结论：1.输入量 rin（t）为电机转速预定值（转/min）;2. 输出量 rout(t)为电机转速实际值（转/min）;3.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：1.通过 PID 环节之后的 U(t)是什么值呢？2.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）。3.那么 U(t)与 PWM 之间存在怎样的联系呢？http:/ 1） 这篇文章上给出

4、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了， 而实际情况下，直流电机的特性绝对不是线性的，或者说在局部上是趋于线性 的，这就是为什么说 PID 调速有个范围的问题。具体看一下 http:/articles.e- 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。-_PIDPID

5、 控制算法的控制算法的 C C 语言实现二语言实现二 PIDPID 算法的离散化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。1.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;2.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。3.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

6、成的静差。4.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 K T 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 Kp、Ki、Kd 三个参数的具体表达式，

7、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。-_PIDPID 控制算法的控制算法的 C C 语言实现三语言实现三 位置型位置型 PI

8、DPID 的的 C C 语言语言实现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 _pidfloat SetSpeed; /定义设定值float ActualSpeed; /定义实际值float err; /定义偏差值float err_last; /定义上一个偏差值float Kp,Ki,Kd; /定义比例、积分、微分系数float voltage;

9、/定义电压值（控制执行器的变量）float integral; /定义积分值 pid;控制算法中所需要用到的参数在一个结构体中统一定义，方便后面的使用。第二部：初始化变量，代码如下：void PID_init()printf(“PID_init begin n“);pid.SetSpeed=0.0;pid.ActualSpeed=0.0;pid.err=0.0;pid.err_last=0.0;pid.voltage=0.0;pid.integral=0.0;pid.Kp=0.2;pid.Ki=0.015;pid.Kd=0.2;printf(“PID_init end n“); 统一初始化变量

10、，尤其是 Kp,Ki,Kd 三个参数，调试过程当中，对于要求的控制 效果，可以通过调节这三个量直接进行调节。第三步：编写控制算法，代码如下：-_float PID_realize(float speed)pid.SetSpeed=speed;pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;pid.integral+=pid.err;pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err- pid.err_last);pid.err_last=pid.err;pid.ActualSpeed=pid.v

11、oltage*1.0;return pid.ActualSpeed; 注意：这里用了最基本的算法实现形式，没有考虑死区问题，没有设定上下限， 只是对公式的一种直接的实现，后面的介绍当中还会逐渐的对此改进。到此为止，PID 的基本实现部分就初步完成了。下面是测试代码：int main()printf(“System begin n“);PID_init();int count=0;while(count #includestruct _pidfloat SetSpeed; /定义设定值float ActualSpeed; /定义实际值float err; /定义偏差值float err_next

12、; /定义上一个偏差值float err_last; /定义最上前的偏差值float Kp,Ki,Kd; /定义比例、积分、微分系数 pid;void PID_init()pid.SetSpeed=0.0;pid.ActualSpeed=0.0;pid.err=0.0;pid.err_last=0.0;pid.err_next=0.0;pid.Kp=0.2;pid.Ki=0.015;pid.Kd=0.2; float PID_realize(float speed)pid.SetSpeed=speed;pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;float inc

13、rementSpeed=pid.Kp*(pid.err- pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err- 2*pid.err_next+pid.err_last);pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;pid.err_last=pid.err_next;pid.err_next=pid.err;return pid.ActualSpeed; -_int main()PID_init();int count=0;while(count200)index=0;elseindex=1;pid.integral+=pid.err;p

14、id.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err -pid.err_last); /算法具体实现过程其它部分的代码参见PID 控制算法的 C 语言实现三中的讲解，不再赘述。 同样采集 1000 个量，会发现，系统到 199 所有的时间是原来时间的 1/2,系统 的快速性得到了提高。199.003571199.036804199.068924199.099960199.129974199.158981199.187012199.214111199.240311199.265640199.290115199.31

15、3797199.336655199.358795199.380157199.400818199.420792199.440109199.458771199.476807199.494263199.511124199.527420199.543182199.558426199.573135199.587372199.601120199.614426199.627289199.639694199.651718199.663315199.674561199.685410-_199.695908199.706039199.715851199.725311199.734482199.743332199.

16、751907199.760162199.768173199.775894199.783371199.790588199.797577199.804337199.810867199.817154199.823257199.829147199.834839199.840347199.845673199.850815199.855789199.860596199.865234199.869736199.874069199.878281199.882324199.886261199.890045199.893707199.897263199.900665199.903992199.907181199.

17、910278199.913284199.916168199.918976199.921677199.924286199.926804199.929245199.931610199.933884199.936081199.938217199.940277199.942276199.944183199.946045199.947830199.949585199.951248199.952896199.954437199.955963199.957428199.958847199.960205199.961548199.962830199.964066199.965271199.966431199.

18、967545199.968628199.969666199.970673199.971649199.972595199.973511199.974380199.975235199.976074199.976852199.977631199.978378199.979095199.979797199.980453199.981125199.981735199.982361199.982925199.983505199.984055199.984604199.985107199.985611199.986069199.986557199.987000199.987442199.987869199.

19、988281199.988663199.989044199.989395199.989761199.990097199.990417199.990753199.991058199.991348199.991653199.991913199.992203199.992447199.992706199.992950199.993179199.993408199.993607199.993835199.994034199.994232199.994431199.994598199.994797199.994965199.995132199.995285199.995453199.995605199.

20、995743199.995895199.996017199.996155199.996277199.996414199.996521199.996643199.996750199.996872199.996964199.997070199.997162199.997269199.997360199.997437199.997528199.997604199.997681199.997772199.997849199.997910199.997986199.998047199.998108199.998169199.998245199.998306199.998352199.998398199.

21、998459199.998489199.998550199.998596199.998642199.998703199.998734199.998795199.998825199.998856199.998886199.998917199.998962199.998978199.999023199.999054199.999084199.999115199.999146199.999191199.999207199.999252199.999283199.999298199.999313199.999329199.999344199.999359199.999374199.999390199.

22、999405199.999435199.999435199.999466199.999466199.999496199.999512199.999527199.999542199.999557199.999573199.999588199.999603199.999619199.999634199.999649199.999680199.999680199.999710199.999710199.999741199.999756199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.

23、999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.

24、999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.

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26、999771199.999771-_199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

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31、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

32、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

33、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

34、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

35、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.99977119

36、9.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771-_199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

37、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

38、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

39、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

40、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

41、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771

42、199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771199.999771-_PIDPID 控

43、制算法的控制算法的 C C 语言实现六语言实现六 抗积分饱和的抗积分饱和的 PIDPID 控控制算法制算法 C C 语言实现语言实现所谓的积分饱和现象是指如果系统存在一个方向的偏差，PID 控制器的输出 由于积分作用的不断累加而加大，从而导致执行机构达到极限位置，若控制器 输出 U(k)继续增大，执行器开度不可能再增大，此时计算机输出控制量超出了 正常运行范围而进入饱和区。一旦系统出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。 进入饱和区越深则退出饱和区时间越长。在这段时间里，执行机构仍然停留在 极限位置而不随偏差反向而立即做出相应的改变，这时系统就像失控一样，造 成控制性能恶化，这种现象称为积分饱

44、和现象或积分失控现象。防止积分饱和的方法之一就是抗积分饱和法，该方法的思路是在计算 u(k) 时，首先判断上一时刻的控制量 u(k-1)是否已经超出了极限范围： 如果 u(k-1) umax，则只累加负偏差; 如果 u(k-1)pid.umax) /灰色底色表示抗积分饱和的实现if(abs(pid.err)200) /蓝色标注为积分分离过程index=0;elseindex=1;if(pid.err200) /积分分离过程index=0;elseindex=1;if(pid.err0)pid.integral+=pid.err;elseif(abs(pid.err)200) /积分分离过程in

45、dex=0;elseindex=1;pid.integral+=pid.err;pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-_-pid.err_last);pid.err_last=pid.err;pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;return pid.ActualSpeed; 最终的测试程序运算结果如下，可以明显的看出系统的稳定时间相对前几次来 讲缩短了不少。100.00000030.00000095.00000065.500000103.75000092.175003

46、115.237503112.173752126.794380127.653938137.468842139.967911146.934479149.954224155.144211158.157745162.174561164.953079168.149734170.611786173.205124175.339691177.470551179.298065181.063431182.616440184.086655185.400513186.628952187.737457188.766006189.699692190.561951191.347580192.071030192.731674

47、193.338928193.894257194.404160194.870834195.299072195.691193196.050888196.380341196.682465196.959244197.213043197.445572197.658768197.854111198.033203198.197311198.347763198.485626198.612015198.727829198.834000198.931290199.020477199.102219199.177139199.245804199.308746199.366425199.419296199.467758

48、199.512161199.552872199.590179199.624390199.655716199.684464199.710785199.734924199.757034199.777298199.795883199.812912199.828537199.842834199.855972199.867981199.879013199.889099199.898361199.906845199.914612199.921753199.928268199.934280199.939743199.944794199.949371199.953629199.957474199.961029199.964279199.967270199.969986199.972504199.974792199.976898199.978821199.980591199.982208199.983688199.985062199.986298199.987442199.988495199.989441199.990326199.991135199.991867199.992554199.993179199.993744199.994263199.994751199.995178199.995590199.995