【控制系统】-pid控制01-优快云博客

前言

一、为什么使用PID

PID 算法是控制领域非常常见的算法，小到控制温度，大到控制飞机的飞行姿态和速度等等，都会涉及到 PID 控制，在控制领域可以算是万能的算法，如果你能够掌握 PID 算法的控制与实现，那么已经足以应对控制领域的一般问题了。

二、PID算法介绍

PID 是 Proportional（比例）、 Integral（积分）、 Differential（微分）的首字母缩写；是一种结合比例、积分和微分三种环节于一体的闭环控制算法，它是目前为止在连续控制系统中计数最为成熟的
一种控制算法。
闭环控制系统框图
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pid控制效果图演示
请添加图片描述

比例（P）
- 比例控制器的输出与输入成正比关系，能够迅速的反应偏差，偏差减小的速度取决于比例系数 Kp,Kp 越大偏差减小的就越快。
- 该环节可以提高系统的响应速度，但容易引起震荡，以及存在不能消除的静态误差。
积分（I）
- 在比例控制环节产生了静态误差，通过引入积分环节，对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，产生控制作用以减小偏差。积分作用的强弱，取决于积分时间常数 Ti， Ti 越大积分作用越弱，反之则越强。
- 该环节的主要作用是消除静态误差，提高系统的无差度。但也会降低系统的响应速度，此外，积分环节作用太强，会使系统超调增大，甚至出现震荡。
微分（D）
- 微分环节的作用是反应系统偏差的一个变化趋势，即变化率，可以在误差来临之前提前引入一个有效的修正信号，有利于提高输出响应的快速性, 减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但容易引入高频噪声，此外微分时间常数过大，会使系统出现不稳定的情况。
- 适合具有较大惯性的被控对象使用 PI 控制器很难得到很好的动态调节品质，系统会产生较大的超调和振荡，这时可以引入微分作用。
- 不适合干扰信号比较严重的流量控制系统，容易引入高频噪声。

位置式PID

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位置式PID优缺点：

此种方法为一种非递推式算法，可以直接控制执行机构，输出值与执行机构的实际位置是一一对应的。
每次输出均与过去的状态有关，计算时需要对e(k)进行累加，容易产生较大的累计误差（积分饱和现象），运算工作量大。
位置式适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。
需要进行积分限幅和输出限幅。

增量式PID

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增量式PID优缺点

误差不需要累加，仅与最近的三次采样值有关，误动作影响小。
手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。
有产生比例和微分失控现象的可能，导致系统的动态性能变坏。
增量式控制输出的是增量，无积分作用，适用于执行机构带积分作用的部件，如步进电机。
需要进行输出限幅。

三、PID使用例程

需要学会系统分析和系统框图的绘制，大多数的问题都来源于这两处的模糊不清。
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四、 PID算法的C语言实现

以下只列出PID算法的结构体设计，代码按照公式编写就完了。

位置式PID

/* 位置式pid数据结构 */
typedef struct {
    float Kp;               // 比例系数
    float Ki;               // 积分系数
    float Kd;               // 微分系数
    float setpoint;         // 设定值
    float actpoint;			// 实际值
    float integral;         // 积分项累计值
    float prev_error;       // 上一次误差值
    float output_min;       // 输出最小值限制
    float output_max;       // 输出最大值限制
} PositionalPID;

/* 增量式pid数据结构 */
typedef struct {
    float Kp;               // 比例系数
    float Ki;               // 积分系数
    float Kd;               // 微分系数
    float setpoint;         // 设定值
    float actpoint;			// 实际值
    float prev_error;       // 上一次误差值
    float prev_prev_error;  // 上上次误差值
    float output_min;       // 输出最小值限制
    float output_max;       // 输出最大值限制
    float last_output;      // 上一次输出值
} IncrementalPID;