毕设项目分享 经典单片机控制算法：PID

毕设项目分享 经典单片机控制算法：PID

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/MDC_sir/article/details/139956580

PID控制算法是单片机控制领域中一种经典且重要的控制算法，广泛应用于温度控制、电机转速控制、平衡车控制等多个领域。本文将从PID算法的基本概念出发，详细介绍其原理和实现方法，并通过三个具体的代码示例帮助读者深入理解。

1 简介

PID控制算法是一种闭环控制算法，通过比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分的组合来实现对系统的精确控制。这种算法在工业控制、机器人控制等领域有着广泛的应用。

2 什么是PID

2.1 P：比例

比例部分成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)。当系统输出与设定值存在偏差时，比例部分会立即产生控制作用，以减小偏差。但是，仅使用比例控制时系统输出通常存在稳态误差。

2.2 I：积分

积分部分用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。

2.3 D：微分

微分部分反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

3 PID算法能做什么

PID算法主要用于单片机对某种器件的控制，常见的控制对象包括：

• 温控（烤箱，冰箱等）
• 电机转速控制
• 平衡车控制
• 飞行器控制
• 压力、温度、流量、液位控制器

4 PID算法实现

PID算法有多种实现方式，以下是三种常用的实现方法：

4.1 位置式PID算法实现

位置式PID算法通过对积分的持续累加来实现控制，但容易造成积分饱和，导致系统过调。

struct _pid{
    float 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;          //定义电压值（控制执行器的变量）
    float integral;            //定义积分值
}pid;

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");
}

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.voltage*1.0;
    return pid.ActualSpeed;
}

int main(){
    printf("System begin \n");
    PID_init();
    int count=0;
    while(count<1000)
    {
        float speed=PID_realize(200.0);
        printf("%f\n",speed);
        count++;
    }
    return 0;
}

4.2 增量式PID实现

增量式PID算法只与前后三次的误差值有关，计算更简单，避免了积分饱和的问题。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

struct _pid{
    float SetSpeed;            //定义设定值
    float ActualSpeed;        //定义实际值
    float err;                //定义偏差值
    float err_next;            //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 incrementSpeed=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(count<1000)
    {
        float speed=PID_realize(200.0);
        printf("%f\n",speed);
        count++;
    }
    return 0;
}

4.3 抗积分饱和的PID算法实现

抗积分饱和PID算法通过判断实际输出是否超出上下限来决定是否进行积分计算，避免了积分饱和的问题。

float PID_realize(float speed){
    int index;
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
    if(pid.ActualSpeed>pid.umax)
    {
        if(abs(pid.err)>200)
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err<0)
            {
                pid.integral+=pid.err;
            }
        }
    }else if(pid.ActualSpeed<pid.umin){
        if(abs(pid.err)>200)
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err>0)
            {
                pid.integral+=pid.err;
            }
        }
    }else{
        if(abs(pid.err)>200)
        {
            index=0;
        }else{
            index=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;
}