【C语言实现PID控制PWM】

在实际应用中，使用PID控制器来控制PWM占空比以调节输出电压是一种常见的做法。
以下是简化的C语言代码示例，它展示了如何根据测量的电压值使用PID控制器来更新PWM占空比，同时根据系统性能动态调整PID增益。

示例1

#include <stdio.h>

// PID控制器参数
float Kp = 1.0; // 初始比例增益
float Ki = 0.1; // 初始积分增益
float Kd = 0.05; // 初始微分增益

// PID控制器状态
float integral = 0.0; // 误差的积分
float previous_error = 0.0; // 上一次的误差

// PWM占空比
float pwm_duty_cycle = 0.0;

// 更新PID增益的函数
void Update_PID_Gains(float error) {
    // 这里是一个简单的示例，可以根据误差动态调整增益
    if (error > 0.5) {
        Kp += 0.1;
        Ki += 0.01;
        Kd += 0.005;
    } else if (error < -0.5) {
        Kp -= 0.1;
        Ki -= 0.01;
        Kd -= 0.005;
    }
    
    // 防止增益变为负值
    if (Kp < 0) Kp = 0;
    if (Ki < 0) Ki = 0;
    if (Kd < 0) Kd = 0;
}

// PID控制器函数
float PID_Controller(float setpoint, float measured_value, float dt) {
    // 计算误差
    float error = setpoint - measured_value;

    // 计算误差的积分
    integral += error * dt;

    // 计算误差的微分
    float derivative = (error - previous_error) / dt;

    // 计算控制信号
    float control_signal = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;

    // 更新上一次的误差
    previous_error = error;

    // 更新PID增益
    Update_PID_Gains(error);

    return control_signal;
}

// 模拟测量电压的函数
float measure_voltage() {
    // 这里是一个示例，需要替换为实际的电压测量代码
    return 0.5;
}

// 设置PWM占空比的函数
void set_pwm_duty_cycle(float duty_cycle) {
    // 这里是一个示例，需要替换为实际的PWM设置代码
    pwm_duty_cycle = duty_cycle;
    printf("设置PWM占空比: %.2f\n", duty_cycle);
}

int main() {
    float setpoint = 1.0; // 目标电压
    float measured_value = 0.0; // 测量的电压
    float control_signal = 0.0; // 控制信号
    float dt = 0.1; // 时间步长（秒）

    // 模拟循环
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // 测量电压
        measured_value = measure_voltage();

        // 使用PID控制器计算控制信号
        control_signal = PID_Controller(setpoint, measured_value, dt);

        // 计算新的PWM占空比（假设占空比在0到1之间）
        float new_duty_cycle = control_signal;
        if (new_duty_cycle > 1.0) new_duty_cycle = 1.0;
        if (new_duty_cycle < 0.0) new_duty_cycle = 0.0;

        // 设置新的PWM占空比
        set_pwm_duty_cycle(new_duty_cycle);

        // 打印结果
        printf("时间: %.2f, 设定点: %.2f, 测量值: %.2f, 控制信号: %.2f, Kp: %.2f, Ki: %.2f, Kd: %.2f\n",
                i * dt, setpoint, measured_value, control_signal, Kp, Ki, Kd);
    }

    return 0;
}

示例2

#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define MAX_DUTY_CYCLE 100  // PWM最大占空比

// PID控制器结构体
typedef struct {
    double Kp;    // 比例增益
    double Ki;    // 积分增益
    double Kd;    // 微分增益
    double setPoint; // 设定电压值
    double lastError; // 上一次的误差
    double integral; // 误差积分
    double lastTime; // 上一次更新时间
} PIDController;

// 初始化PID控制器
void PID_Init(PIDController *pid, double Kp, double Ki, double Kd, double setPoint) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->setPoint = setPoint;
    pid->lastError = 0.0;
    pid->integral = 0.0;
    pid->lastTime = 0.0;
}

// 更新PID控制器
void PID_Update(PIDController *pid, double measuredVoltage, double currentTime) {
    double error = pid->setPoint - measuredVoltage;
    double dt = currentTime - pid->lastTime;
    pid->integral += error * dt;
    double derivative = (error - pid->lastError) / dt;
    double output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;

    // 将PID输出转换为PWM占空比
    double dutyCycle = output * (MAX_DUTY_CYCLE / 100.0);
    dutyCycle = fmax(fmin(dutyCycle, MAX_DUTY_CYCLE), 0); // 限制占空比在0到MAX_DUTY_CYCLE之间

    // 设置PWM占空比
    set_pwm_duty_cycle(dutyCycle);

    // 更新PID控制器状态
    pid->lastError = error;
    pid->lastTime = currentTime;
}

// 根据系统性能自适应调整PID增益
void Adapt_PID_Gains(PIDController *pid, double error, double currentTime) {
    static double lastAdaptTime = 0;
    double dt = currentTime - lastAdaptTime;
    lastAdaptTime = currentTime;

    // 这里只是一个示例自适应逻辑，具体逻辑需要根据你的应用调整
    if (fabs(error) > 5) { // 如果误差较大
        pid->Kp *= 1.05; // 轻微增加Kp
        pid->Ki *= 1.05; // 轻微增加Ki
        pid->Kd *= 0.95; // 轻微减少Kd
    } else if (fabs(error) < 1) { // 如果误差较小
        pid->Kp *= 0.95; // 轻微减少Kp
        pid->Ki *= 0.95; // 轻微减少Ki
        pid->Kd *= 1.05; // 轻微增加Kd
    }
}

// 假设的PWM占空比设置函数
void set_pwm_duty_cycle(double dutyCycle) {
    printf("Setting PWM duty cycle to: %f%%\n", dutyCycle);
}

// 假设的电压读取函数
double read_voltage() {
    // 这里应该包含读取电压的实际代码
    // 为了示例，我们返回一个模拟的电压值
    return 100.0 * sin(0.1 * time(NULL)); // 模拟正弦波电压
}

int main() {
    PIDController pid;
    PID_Init(&pid, 1.0, 0.1, 0.05, 100.0); // 初始化PID控制器

    double currentTime = 0;
    while (1) {
        double measuredVoltage = read_voltage(); // 读取当前电压
        PID_Update(&pid, measuredVoltage, currentTime); // 更新PID
        Adapt_PID_Gains(&pid, pid.setPoint - measuredVoltage, currentTime); // 自适应调整增益
        currentTime += 0.01; // 假设每次循环时间间隔为0.01秒
    }

    return 0;
}