PID深度仿真并通过vofa+打印出数据曲线

原创已于 2023-05-23 12:45:45 修改

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#单片机 #嵌入式硬件

于 2023-05-23 11:37:32 首次发布

文章介绍了使用PID算法控制机器人下潜深度的过程，通过设定目标深度，结合牛顿定律计算加速度、速度和深度。文中提到了Keil5编译器、Vofa+软件用于数据打印和仿真，并强调了C语言基础和PID理解的重要性。同时，给出了PID控制器的初始化和计算函数示例代码。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

现在试想以下场景，当机器人正在下浅定深度在某个值

static float depth = 0 //深度为 0
static float v =0 //速度为 0
static float a =0 //加速度为 0
static float m=10 //机器人的质量为 10
static float kv = 1 //在水下受到与速度成正比的比例系数
static float f = 1 //水中的静态阻力
a = (F 推力– kv*v-f)/m //根据牛顿定律求出加速度的值
v +=a //加速度的积分为速度
depth += v //速度积分为深度

使用 pid 算法输入深度值的差，输出为推力的值，不断调试 pid 的参数值使用单片机的串口(usart)重定向到上位机实时观察 depth 深度的曲线，可以使用 vofa+上位机软件，实现深度从 0 开始一直闭环到深度 20 的值

以下为vofa+仿真的效果

pid深度仿真

用keil5进行编译，选用vofa+的firewater协议进行数据打印。但是要注意要对“printf”函数进行重定义，强烈建议去看一下小破站江科大自动化科协stm32教程有关于串口数据收发的教程，非常详细易懂。

VOFA+有三种协议设置

rawdata：和普通的串口助手一样，发送什么显示什么。
firewater：最简单在VOFA+里绘制波形的协议，建议仅在通道数量不多、发送频率不高的时候使用。要注意想要打印出数据在“printf”函数中在最后要用“\n”进行换行
justfloat：有一定的数据格式，此协议非常适合用在通道数量多、发送频率高的时候。//设个本菜鸡还没有学

PID部分本站的佬们讲的都很好，可以找一些教程进行学习。

我对PID的理解是

首先要设定一个目标值target，每轮执行程序都要用target-current_depth来计算出error；

1.P比例环节 Pout=P*error P为我们设定的比例系数，由式子可以看出距离越远Pout越大，就像向一个水桶里注水一样，刚开始error大于0注水会用较大的水流注入，当距离我们的目标值越近所用的水流就越小；但当error小于0时就需要从桶中舀出水原理与注水时相同。P的大小可影响Pout的大小，P越大越快，但不宜太大，因为这样会产生过大的波动，影不利于控制。

2.D微分环节仅仅靠比例环节很难趋近于目标值，因为其产生的是较大的波动，像刹车一样，很难立刻就停下来，所以要依靠微分环节。 Dout=D*(derror/dt),由此得到Dout的大小由误差的变化性速度有关，方向与速度变化方向有关，而且总是与速度方向相反，因此始终会有一个阻尼作用，最终会趋近于目标值。

3.I积分环节用P和D环节就基本可以趋近于目标值了，那为什们还要用积分环节呢？试想一下，像一个漏水的水桶里注水，漏水就相当于一个静态误差，如果每次像桶内加的水和漏掉的水相等，那水位将不再变化，而加入积分环节，每次都会将误差进行累加，当出现上述情况时，积分环节会加大进水量，从而超过水位不动时的水位线，进而趋近于目标。

这部分我知到写的很烂5555~也借鉴了一些佬的思想，表达能力太差，写错的地方请帮忙指正哈

以下为main函数

#include "stm32f10x.h" 
#include "Serial.h"
#include <stdio.h>

typedef struct 
{
    float Kp; // 比例系数
    float Ki; // 积分系数
    float Kd; // 微分系数
    float target; // 设定值
    float integral; // 积分项
    float last_error; // 上一次的误差
} PID;

PID pid;
// 初始化pid控制器
void PID_Init(PID *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float target) 
{
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->target = target;
    pid->integral = 0;
    pid->last_error = 0;

}
//计算P I D
float PID_Calc(PID *pid, float feedback) 
{
    
    float error = pid->target - feedback;//计算误差
    float P = pid->Kp * error;//比例项
    pid->integral += error;//积分项
    float I = pid->Ki * pid->integral;
    float derivative = error - pid->last_error;//微分项
    float D = pid->Kd * derivative;   
    pid->last_error = error;//上一次的误差
    float output = P + I+ D;
    return output;
}

int main(void) 
{
    float target = 20; 
   float current_depth = 0;
    float m = 10; 
    float kv = 1; 
    float f = 1; 
    float a = 0; 
    float v = 0; 

    PID pid;
	
    Serial_Init();
    PID_Init(&pid, 5, 0.5, 0.1, target);
    
   while (1) 
		 {
        
        float F = PID_Calc(&pid, current_depth);//推力大小
        
        a = (F - kv * v - f) / m;//加速度
        v += a ;//速度
        current_depth += v ;//深度
 Serial_Printf("%f\n",current_depth);

			}

}

学习过程中遇到了不少麻烦，比如c语言不扎实，对代码的书写能力较弱，所以扎实的c语言功底是十分重要的，还有就是对PID的理解还不够深刻，还需继续学习。

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