2.11 PID控制算法（三） |
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2.11 PID控制算法（三）
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文章目录
1、讲解2、举例13、举例24、举例35、调试PID参数
1、讲解
1、AD采样，经过PID计算的值，怎么和PWM对应起来？ 2、电机编码采样，经过PID计算的值，怎么与速度对应起来？ 这个简单，PID控制原理就是输出一个控制量，然后检测反馈，由反馈得到的数据计算当前实际输出是多少，由这个实际输出和目标输出得到差值，最后由这个差值计算一个新的输出控制量。 举例(数据都是乱拟的，只为好计算)：假设你的PWM是用来控制电机速度的，0%占空比对应的电机速度是0r，100%占空比对应的电机速度是100r。你目标电机速度是50r，那么调控步骤如下： 输出50%占空比的PWMAD采样并计算当前电机速度，假设计算得到的当前实际电机速度是40r，比目标速度50r差10r，这个10r送到PID计算得到一个增量结果，假设结果是5r由5r计算对应的PWM占空比，即5%更新PWM输出占空比，就是：50%+5%=55%，返回到第1步 我个人理解，它们之间实际上就是一个比例关系。 2、举例1我们来分析一个例子：步进电机PID速度闭环控制，它原理：预先设置好需要达到的速度，然后每隔一段时间读取编码器的值反馈当前速度，经过PID计算慢慢到达设定的速度。 #define FEEDBACK_CONST (SPR/ENCODER_SPR) //编码器和步进电机驱动器的比值 typedef struct { __IO float SetPoint; // 目标值 单位:mm/s __IO int LastError; // 前一次误差 __IO int PrevError; // 前两次误差 __IO long SumError; // 累计误差 __IO double Proportion; // Kp系数 __IO double Integral; // Ki系数 __IO double Derivative; // Kd系数 }PID_Typedef; __IO PID_Typedef vPID; Vel_Target = (vPID.SetPoint*P_PERIOD);//每单位采样周期内的脉冲数(频率) /** * 函数功能：增量式PID速度环计算 * 输入参数：NextPoint 由编码器得到的速度值 * TargetVal 目标值 * 返 回 值：经过PID运算得到的增量值 * 说 明：增量式 PID 速度环控制设计,计算得到的结果仍然是速度值 */ float IncPIDCalc(__IO float NextPoint,__IO float TargetVal) //临时变量,期望值 { __IO float iError = 0,iIncpid = 0; //当前误差 iError = TargetVal - NextPoint; // 增量计算 // if((iError-0.5f)) // iError = 0; // |e| < 0.5,不做调整 iIncpid=(vPID.Proportion * iError) // E[k]项 -(vPID.Integral * vPID.LastError) // E[k-1]项 +(vPID.Derivative * vPID.PrevError); // E[k-2]项 vPID.PrevError=vPID.LastError; // 存储误差，用于下次计算 vPID.LastError = iError; return(iIncpid); // 返回增量值 } /** * 函数功能: 系统滴答定时器中断回调函数 * 输入参数: 无 * 返 回 值: 无 * 说 明: 每发生一次滴答定时器中断进入该回调函数一次 */ void HAL_SYSTICK_Callback(void) { __IO static uint16_t time_count = 0; // 时间计数，每1ms增加一(与滴答定时器频率有关) __IO static int32_t Last_CaptureNumber=0; // 上一次捕获值 // 每1ms自动增一 time_count++; if(Start_Flag == ENABLE) { if(time_count >= SAMPLING_PERIOD)// 20ms控制周期 { time_count = 0; //获得编码器的脉冲值 CaptureNumber = OverflowCount*65536 + __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder); //M法 测速度 MSF = CaptureNumber - Last_CaptureNumber; Last_CaptureNumber = CaptureNumber; MSF = abs(MSF); Exp_Val += IncPIDCalc((float)MSF,Vel_Target); //编码器输出期望值 Exp_Val = abs(Exp_Val); /* 经过PID计算得到的结果是编码器的输出期望值的增量, 需要转换为步进电机的控制量(频率值),这里乘上一个系数6400/2400 */ //乘上一个系数,6400/2400,将PID计算结果转换为步进电机的频率(速度) STEPMOTOR_Motion_Ctrl(MotorDir,Exp_Val*FEEDBACK_CONST); } } } /** * 函数功能: 步进电机运动控制 * 输入参数: Dir:步进电机运动方向 0:反转 1正转 * Frequency:步进电机频率,0:停止 * 返 回 值: void * 说 明: 无 */ void STEPMOTOR_Motion_Ctrl(uint8_t Dir , float Frequency) { uint16_t Step_Delay = 0; //步进延时 if(Frequency == 0) STEPMOTOR_OUTPUT_DISABLE(); else { if(Dir==MOTOR_DIR_CCW) { STEPMOTOR_DIR_REVERSAL(); } else STEPMOTOR_DIR_FORWARD();//方向控制 /* 步进电机速度由定时器输出脉冲频率(f)决定, f = c/F;c是计数器的计数值,F是定时器频率 推导过程:(T是定时器输出脉冲周期) T=c*t => T=c*F => f = 1/T = F/c; */ Step_Delay = (uint16_t)(FREQ_UINT/Frequency); Toggle_Pulse = Step_Delay>>1;//算出来的结果是周期,这里除以2,半周期翻转一次 } }我们来分析一下它PID是怎么PID输出结果与速度量的关系： 从上面我可以知道，PID算法 输入参数： 1、MSF :单位采样周期内（20mS）编码器的值。 2、Vel_Target:每单位采样周期内编码器的脉冲数(频率)；它由SetPoint(标 值 单位:mm/s)，经过一定的计算而来。 输出参数： 1、编码器的输出期望值 步进电机的频率(速度)与PID结果的关系：Exp_Val*FEEDBACK_CONST ;从整个公式我们可发现，它们仅仅一个比例系数而已。 3、举例2再举一例PWM控制温度 int iDataSigma void PIDCalc(uint32_t Channel,int16_t set_temp,int16_t actualTemp)//温度放大100倍 { int En,out_temp,controlOut; En= set_temp-actualTemp; //本次偏差 if(abs(En) > 500) //积分分离 { index=0; } else { index=1; iDataSigma += En*iData; //历史偏差总和 } // out_temp = Kp*En+index*Ki*iDataSigma; //P+I out_temp = Kp*En+index*Ki*iDataSigma+Kd(En-En_1);//P+I+D En_1 = En; controlOut=_TIM3_ARR/500*out_temp; if (controlOut feedback = feedback; pid->e_0 = target - feedback; #if 0 if(pid->Ki*pid->ei + pid->Kp*pid->e_0 Uplimit)//限制累积值 pid->ei += pid->e_0; else if(pid->e_0 ei += pid->e_0; else; #endif pid->ei += pid->e_0; if(pid->Ki*pid->ei > 500)//限制累积值 { pid->ei = 500/pid->Ki; } if(pid->ei ei = (-100); } #if 0 pid->ed = pid->e_0 - 2*pid->e_1 + pid->e_2; #else pid->ed = pid->e_1 - pid->e_0; //个人以为这个才是对的 #endif pid->Out = pid->Kp*pid->e_0 + pid->Ki*pid->ei + pid->Kd*pid->ed; if(pid->Out > pid->Uplimit) { pid->Out = pid->Uplimit; } else if(pid->Out Downlimit) { pid->Out = pid->Downlimit; } else {} pid->e_2 = pid->e_1; pid->e_1 = pid->e_0; return (u32)pid->Out; } pid_calc(&spid1,(float)TempCtrler[PURE_TEMP_LYSIS].target,(float)TempForCal[PURE_TEMP_LYSIS]); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_2,spid1.Out); 5、调试PID参数调试PID参数链接 3.1 PID参数的整定原则 U(t)=P*[e(t)+ 1/Ti∫0te(t)dt+Tdde(t)/dt] a.在输出不振荡时，增大比例增益P。（即增开Kp） b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。（即增大Ki） c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。（即减小Kd） P环很好理解，我们将误差乘以P值加在执行机构上面，当误差越小时P环所得值也就越小，给到执行机构的值也就越小，执行机构反应也就越慢，很符合这种闭环反馈的思想。但是当有一种情况，误差很小的时候P环得出的值给到执行机构上面不足以驱动执行机构工作，这时系统距离期望值仍有一段距离，该距离便被称为静差。 I环的作用是对过去状态的累加，本质上是对误差的积分，当系统存在静差时，I环会持续累加静差值，直到累加值大到足以驱动执行机构工作。这是I环的优点，可以有效地处理静差。但是I环本质上是对过去状态的处理，所以加上I环以后整个系统会变得有些不可控制，这里可以采用积分分离式的思想，只有当误差小于一定范围才开始进行进行误差的累加。如果是对稳定性要求比较高的系统，比如平衡小车直立环，就尽量不要用I环，单PD控制器控制即可。 D环，这个环比较的神奇，它可以预测将来，本质上是对误差的微分。也可以理解成对系统的阻尼，打个比方，在一个理想的环境下有个单摆一直在摆动，它摆动的波形是个正弦波形。如果不加阻尼那么它便可以一直摆动，但是现实中总会有各种各样的阻尼作用迫使单摆运动停下来。D环起的就是这个作用。D环一般运用在角度环比较多，因为你不可以进入弯道才想到转弯，而是在进入弯道之前就要有这个转弯的意识。做智能车的小伙伴们注意了！！ 下面式复制别人图片，讲的挺好的，链接如下： PID参数整定
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