PID库与PID基本优化（一）
本系列旨在以我自己写的PID lib为例，讲一下PID的几点基本优化，PID的基本原理网上有很多资料，因此本系列将不会涉及PID的基本实现原理，在这里特别推荐Matlab tech talk的PID教程：https://ww2.mathworks.cn/videos/series/understanding-pid-control.html。
由于笔者大一在读，还没有学习自动控制原理等课程，因此本系列将不会从自控原理角度展开，相反的，本系列将试图从“直觉”展开，通过直观的描述让大家从直觉上感受并理解PID的一些包括微分先行、积分分离等基础的优化。
由于笔者水平有限，文中难免存在一些不足和错误之处，诚请各位批评指正。
（一）中主要讲解代码结构与代码使用，算法有关内容于（二）开始讲解
1 代码结构
该PID lib全部代码详见：https://github.com/CharlesW1970/PID_Library
1.1 PID结构体与有关枚举
该lib通过pid结构体保存于pid运算有关的参数数据，通过枚举表示其他有关量：
//PID结构体
typedef struct _PID_TypeDef
{
float Target;
float LastNoneZeroTarget;
float Kp;
float Ki;
float Kd;
float Measure;
float Last_Measure;
float Err;
float Last_Err;
float Pout;
float Iout; //Iout = ITerm_0 + ITerm_1 +....+ ITerm_n
float Dout;
float ITerm; //ITerm = Err * Ki
float Output;
float Last_Output;
float MaxOut;
float IntegralLimit;
float DeadBand;
float ScalarA; //变积分公式参数
float ScalarB; //ITerm = Err*((A-abs(err)+B)/A) when B<|err|1.2 PID初始化
在使用之前需要先调用PID_Init函数进行参数初始化和函数连接
void PID_Init(
PID_TypeDef *pid,
uint16_t max_out,
uint16_t intergral_limit,
float deadband,
float kp,
float Ki,
float Kd,
float A,
float B,
uint8_t improve)
{
pid->PID_param_init = f_PID_param_init;
pid->PID_reset = f_PID_reset; //连接Kp Ki Kd参数重设函数
pid->PID_param_init(pid, max_out, intergral_limit, deadband,
kp, Ki, Kd, A, B, improve); //连接并调用参数初始化函数
}
static void f_PID_param_init(
PID_TypeDef *pid,
uint16_t max_out,
uint16_t intergral_limit,
float deadband,
float kp,
float Ki,
float Kd,
float Changing_Integral_A,
float Changing_Integral_B,
uint8_t improve)
{
//参数初始化
pid->DeadBand = deadband;
pid->IntegralLimit = intergral_limit;
pid->MaxOut = max_out;
pid->Target = 0;
pid->Kp = kp;
pid->Ki = Ki;
pid->Kd = Kd;
pid->ITerm = 0;
pid->ScalarA = Changing_Integral_A;
pid->ScalarB = Changing_Integral_B;
pid->Improve = improve;
//异常处理初始化
pid->ERRORHandler.ERRORCount = 0;
pid->ERRORHandler.ERRORType = PID_ERROR_NONE;
pid->Output = 0;
}
1.3 PID 计算
PID_Calculate函数与网上大多数代码大体结构相同，只是添加了不同的优化函数，具体优化在各函数（如：f_PID_ErrorHandle、f_Trapezoid_Intergral）中实现，PID_Calculate函数具体代码如下：
float PID_Calculate(PID_TypeDef *pid, float measure, float target)
{
if (pid->Improve & ErrorHandle)
{
//异常处理
f_PID_ErrorHandle(pid);
if (pid->ERRORHandler.ERRORType != PID_ERROR_NONE)
{
//电机堵转保护
pid->Output = 0;
return 0;
}
}
//误差更新
pid->Measure = measure;
pid->Target = target;
pid->Err = pid->Target - pid->Measure;
//死区内进行计算
if (ABS(pid->Err) > pid->DeadBand)
{
//计算比例、微分输出与该周期积分项结果
pid->Pout = pid->Kp * pid->Err;
pid->ITerm = pid->Ki * pid->Err;
pid->Dout = pid->Kd * (pid->Err - pid->Last_Err);
//判断是否使能梯形积分
if (pid->Improve & Trapezoid_Intergral)
f_Trapezoid_Intergral(pid);
//判断是否使能变积分
if (pid->Improve & ChangingIntegralRate)
f_Changing_Integral_Rate(pid);
//判断是否使能积分限幅
if (pid->Improve & Integral_Limit)
f_Integral_Limit(pid);
//判断是否使能微分先行
if (pid->Improve & Derivative_On_Measurement)
f_Derivative_On_Measurement(pid);
//计算积分输出
pid->Iout += pid->ITerm;
//计算pid总输出
pid->Output = pid->Pout + pid->Iout + pid->Dout;
//判断是否使能输出滤波
if (pid->Improve & OutputFilter)
f_OutputFilter(pid);
//输出限幅
f_Output_limit(pid);
}
//数据保存供下一周期调用
pid->Last_Measure = pid->Measure;
pid->Last_Output = pid->Output;
pid->Last_Err = pid->Err;
return pid->Output;
}
2 如何使用
这里给出以发布在GitHub上的示例，具体不在详细讲解
//pid函数连接
PID_Init(&PID_Example, 9600, 5000, 3, 1, 5, 0.3, 0.3, 100, 100,
ErrorHandle | Integral_Limit | OutputFilter);
//修改kp ki kd
PID_Example.PID_reset(&PID_Example, 3, 1, 0);
//计算
PID_Calculate(&PID_Example, measure, target);
该篇对该lib结构和使用就讲到这里，下一篇将会开始算法讲解。