STM32 PID控制全解析:从原理到调参实战指南

摘要:

本文围绕STM32中的PID控制展开。介绍了PID的比例、积分、微分三部分作用,以及积分限幅和输出值限幅。阐述了位置式、增量式和串级PID的原理与代码。还讲述了Kp、Ki、Kd调参要点,并介绍了野火多功能调试助手的调参方法及通信代码。

一、知识点

1. PID是什么?

在PID控制中,P、I、D分别代表比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)三个部分。它们是PID控制器中的三个调节参数,用于调节控制系统的输出,以使系统的反馈与期望值更加接近。

P(比例)部分:根据当前偏差的大小来调节输出。当偏差较大时,P部分的作用就越强烈,输出的变化也就越大。P控制项对应于系统的当前状态,它的作用是减小系统对设定值的超调和稳定时间。

I(积分)部分:对偏差的积累进行调节。它的作用是消除稳态误差,使系统更快地达到稳定状态。I控制项对应于系统过去的行为,它的作用是减小系统对外部干扰的影响。

D(微分)部分:根据偏差变化的速度来调节输出。它的作用是预测系统未来的行为,以减小系统的振荡和过冲现象,提高系统的响应速度和稳定性。

综合来说,PID控制器通过比例、积分、微分三个部分的组合来调节系统的输出,以实现对系统的精确控制。

2. 积分限幅–用于限制无限累加的积分项

因为积分系数的Ki是与累计误差相乘的,所以效果是累加,随着时间的推移,积分项的值会升到很高,积分本来的作用是用来减小静态误差,但积分项过大会引起过大的震荡,所以我们可以加一个判断函数if,当积分项的值达到一定值后,就让积分项保持这个值,避免引起更大的震荡。积分限幅的最大值,要根据经验实际多调试调试。

//为了防止积分项过度累积,引入积分项的限幅是一种常见的做法。
//限制积分项的幅值可以防止积分项过度增加,从而限制了系统的累积误差。这样可以避免系统过度响应或者不稳定。
float abs_limit(float value, float ABS_MAX)   //积分限幅,设置最大值。
{
	if(value > ABS_MAX)
		value = ABS_MAX;

	if(value< -ABS_MAX)
		value = -ABS_MAX;
	return value;
}

3. 输出值限幅–用于任何pid的输出

这个需要查看产生pwm的定时器的计数周期初值设定。如Motor_PWM_Init(7200-1,0);,则outputmax就不能大于7200。

  //限制输出最大值,防止出现突发意外。输出outputmax的最大值
	if(pid->output > pid->outputmax )  pid->output = pid->outputmax; 
	if(pid->output < - pid->outputmax )  pid->output = -pid->outputmax

4. PID工程

(1)定时器1(产生pwm)tim1.c

#include "tim1.h"

void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{		 		
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);// 
 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);  //使能GPIO外设时钟使能
 	
   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1 CH4的PWM脉冲波形
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; //TIM_CH1 //TIM_CH4
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值	 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  不分频
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
 
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;                            //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;     //输出极性:TIM输出比较极性高
	TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx

    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);	//MOE 主输出使能	

	TIM_OC4PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //CH4预装载使能	 
	
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
	
	TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  //使能TIM1
} 

tim1.h

#ifndef __TIM1_H
#define __TIM1_H

#include <sys.h>	 
#define PWMB   TIM1->CCR4  //PA11
void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);

#endif

(2)定时器2(定时)

#include "tim2.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"
#include "sys.h"

void MotorControl(void)
{
 Encoder_Posion = Read_Position();//1.获取定时器3的编码器数值
 Speed=PosionPID_realize(&PosionPID,Encoder_Posion);//2.输入位置式PID计算
 Set_Pwm(Speed);  //3.PWM输出给电机
//指令/通道/发送数据/个数
 set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH2, &Encoder_Posion, 1);   /*4.给上位机通道2发送实际的电机速度值,详情看下面内容*/
}


void Time2_Init(u16 arr,u16 psc)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; //电机PWM频率要和定时器采样频率一致
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
	{
	    MotorControl();
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
	}
}

(3)定时器4(编码器)

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Encoder_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
		

	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;		//ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;		//PSC
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
	
	TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
	
	TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
	/*TI1和TI2都计数,上升沿计数*/
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
	
	TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

int16_t Read_Position(void)
{
	int16_t Temp;
	Temp = TIM_GetCounter(TIM4);  //获取定时器计数值
	TIM_SetCounter(TIM4, 0);  
	return Temp;
}

(4)串口1 usart.c

#include "sys.h"
#include "usart.h"	  

#if SYSTEM_SUPPORT_OS
#include "includes.h"					//ucos 使用	  
#endif
  
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)             
//标准库需要的支持函数                 
struct __FILE 
{ 
	int handle; 

}; 

FILE __stdout;       
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
void _sys_exit(int x) 
{ 
	x = x; 
} 
//重定义fputc函数 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
	while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   
    USART1->DR = (u8) ch;      
	return ch;
}
#endif 

 
//串口1中断服务程序
//注意,读取USARTx->SR能避免莫名其妙的错误   	
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN];     //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.
//接收状态
//bit15,	接收完成标志
//bit14,	接收到0x0d
//bit13~0,	接收到的有效字节数目
u16 USART_RX_STA=0;       //接收状态标记	  
  
void uart_init(u32 bound){
  //GPIO端口设置
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//使能USART1,GPIOA时钟
	
	//USART1_TX   GPIOA.9
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9
	
	//USART1_RX	  GPIOA.10初始化
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10  
	
	//Usart1 NVIC 配置
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//子优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器
	
	//USART 初始化设置
	
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式
	
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口1 

}


void USART1_IRQHandler(void)//串口中断服务函数
{
	 u8 Res;
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)== SET ) //产生了接收中断
	{
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);  	//清除接收中断标志位
		Res=USART_ReceiveData(USART1);
		protocol_data_recv(&Res,1);
  }	
}


void usart1_send(u8*data, u8 len)  //发送数据函数
{
	u8 i;
	for(i=0;i<len;i++)
	{
		while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET); 
		USART_SendData(USART1,data[i]);   
	}
}

usart.h

#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"	
#include "sys.h" 

#define USART_REC_LEN  			200  	//定义最大接收字节数 200
#define EN_USART1_RX 			1		//使能(1)/禁止(0)串口1接收
	  	
extern u8  USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.末字节为换行符 
extern u16 USART_RX_STA;         		//接收状态标记	

void uart_init(u32 bound);
void usart1_send(u8*data, u8 len);
#endif

二、各类PID

1. 位置式PID(用于位置环)

  测量位置就是通过stm32去采集编码器的脉冲数据,通过脉冲计算出位置(角度)。目标位置和测量位置之间做差这个就是目前系统的偏差。送入 PID 控制器进行计算输出,然后再经过电机驱动的功率放大控制电机的转动去减小偏差, 最终达到目标位置的过程。

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