PID控制算法（六）

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

// 定义PID结构体
typedef struct
{
    float SetSpeed;
    float ActualSpeed;
    float err;
    float integral;
    float vo_out;           //控制器输出
    float err_last;
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;

    float limit_min; // 输出限制最小值
    float limit_max; // 输出限制最大值
    float windup_guard;     // 积分饱和保护值

    float derivative_filter; // 微分项的滤波系数
    float err_pre_last;

} PID;

// 函数声明
void PID_init(PID *pid);
float PID_realize(PID *pid, float Setparameter);

// 函数定义
/*
void PID_init(PID *pid,float Kp, float Ki, float Kd,
                        float vo_out_limit_min, float vo_out_limit_max)
*/
void PID_init(PID *pid)
{
    // 初始化PID参数
    pid->Kp = 0.1;
    pid->Ki = 0.1;
    pid->Kd = 0.1;

    pid->SetSpeed = 0.0;
    pid->ActualSpeed = 0.0;

    pid->vo_out = 0.0;
    pid->integral = 0.0;
    pid->err = 0.0;
    pid->err_last = 0.0;

    pid->limit_min = -100;//积分保护最小设置
    pid->limit_max =  600;//积分保护最大设置
    pid->windup_guard = (pid->limit_max - pid->limit_min) * 0.1; // 设置积分饱和保护值

    pid->err_pre_last = 0.0;
    //微分项的滤波器系数设置
    pid->derivative_filter = 0.05f;

}

// 积分饱和处理：
//积分环节处理：
//积分分离、积分限制、反计算饱和
void PID_IntegralWindup(PID *pid)
{
    //将两个参数在结构体中提前定义好：
    //积分限制，反计算饱和
    double vo_out_limit_min; // 输出限制最小值
    double vo_out_limit_max; // 输出限制最大值
    if (pid->vo_out >= pid->limit_max) //当输出达到积分保护最大值时
    {
        if (pid->err > 0)
        {
            pid->integral += pid->err;//积分误差累计正偏差
        }
    }
    else if (pid->vo_out <= pid->limit_min)//当输出小于积分保护最小值时
    {
        if (pid->err < 0)
        {
            pid->integral += pid->err;//积分误差累计正偏差
        }
    }
    else //此时输出值在设置的最大和最小值区间内
    {
        pid->integral += pid->err;//正常计算积分误差
    }
}


float PID_realize(PID *pid, float Setparameter)
{
    int index;//标志位，在index = 1时执行积分的稳态误差积累
    pid->SetSpeed = Setparameter;
    pid->err = pid->SetSpeed - pid->ActualSpeed;

    PID_IntegralWindup(pid);      //反计算抗饱和处理
    //积分分离，设置误差阈值
    //当误差较大时，放弃积分项的运算，当误差较小，计算积分误差积累

    //设置积分阈值需根据实际情况调整，
    //当阈值过大时对达不到阈值的数值进行计算的过程中，
    //就会出现小数点后一位的精度不准问题。
    if(abs(pid->err) > 100)
    {
        index = 0;
        //当误差的绝对值大于所设置的阈值时，标志位置零，但积分项仍然会进行误差累计
    }
    else
    {
         index = 1;
         pid->integral = pid->integral + pid->err ; // 积分误差积累
         //不需要在此时进行积分误差积累的抵消效果？
    }

    // 不完全微分：
    //测微分变化趋势，减小对噪声高频信号噪声的放大程度：
    float derivative = (pid->err - pid->err_last) - (pid->err_last - pid->err_pre_last);

    float filtered_derivative = pid->derivative_filter * derivative +
          (1 - pid->derivative_filter) *
          (pid->err - 2 * pid->err_last + pid->err_pre_last);

    //pid->integral = pid->integral + pid->err; // 积分误差积累

    //PID输出计算
//    pid->vo_out = pid->Kp * pid->err + pid->Ki * pid->integral +
//                  pid->Kd * (pid->err - pid->err_last);

    pid->vo_out = pid->Kp * pid->err + pid->Ki * pid->integral +
                  pid->Kd * filtered_derivative;

    //积分饱和处理：计算PID控制器的输出
    if (pid->vo_out > pid->limit_max)
    {
        pid->vo_out = pid->limit_max; // 限制输出最大值
    }
    else if (pid->vo_out < pid->limit_min)
    {
        pid->vo_out = pid->limit_min; // 限制输出最小值
    }

    pid->err_last = pid->err;          // 本次误差更新
    pid->err_pre_last = pid->err_last; // 上一次的误差更新

    //float浮点数--数据类型
    pid->ActualSpeed = pid->vo_out * 2.0; // 将输出值赋给实际值，此前是1.0，现在设置为2.0做补偿；
    return pid->ActualSpeed;
}


int main()
{
    PID myPID; // 创建PID控制器实例

    // 初始化PID参数
    PID_init(&myPID);

    float Setparameter;//传感器获取的参数值（温、湿、气压？）

    printf("Enter the set parameter: ");
    scanf("%f", &Setparameter); // 读取用户输入的目标参数
    int count= 0 ;
    while(count<1000)
    {
    myPID.ActualSpeed = PID_realize(&myPID, Setparameter); // 调用PID控制函数

      if(count >= 1)//只显示了最后200次的计算结果
      {
        printf("count is: %d, actual_speed is: %f\n", count, myPID.ActualSpeed);
      }

    count++;
    }
    return 0;
}

在上述代码中，相比之前的PID运算过程，本次在程序中添加并实现了PID算法的不完全微分过程，通过计算本次、上次以及上上次的误差，计算三者之间的差值来计算微分系数，并自行设置了滤波器系数来消除高频噪声所带来的误差，计算结果相比之前有所提升。通过修改设置的误差阈值和滤波器系数，可以一定程度上提高PID计算结果的精度。

运行结果如下（参数分别设为了1102.39和30.9）：