多种PID算法用C语言来实现

原文链接：https://blog.csdn.net/Nirvana_Tai/article/details/105409311，随后整理验证，再补充 (一) 前言   PID算法在工业应用中随处可见。大学期间，想做各类科创也少不了PID算法的身影。PID除了需要理解原理，用合理的代码实线PID算法也让许多同学们苦恼，我总结了常用的多种PID算法的C语言实现，供大家参考学习。   我只是简单总结了常用的一些PID算法。对于模糊PID和专家PID，因为我也没用到过，就没有具体给出代码，这其中最难的还是参数的整定。当然仿真软件也十分有帮助，大家可以看我另外的Simulink的学习。   整理不易，请留个赞呗、   (二) PID原理简单介绍  PID的流程本质上是通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。  先大致介绍一下PID的控制流程。    首先，我们给出定义的连续的PID公式：    但在工程中，我们想要用处理器去计算，必须将其化为离散化模型。这样处理器才可以进行计算。    偏差            err(K)=rin(K)-rout(K);  积分环节用加和的形式表示  err(K)+err(K+1)+……;  微分环节用斜率的形式表示  [err(K)-err(K-1)]/T;    通过以上公式，可以得到PID离散表示形式：   [1] 位置式PID 下面是位置式PID：     [2] 增量式PID 下面是PID的增量式表示方式：     增量式的结果和近三次的偏差相关，这就很大地提高了系统的稳定性。  注意的是最终的输出结果应该为：       u(K)+调节值;   (三) 位置式PID——C语言 ① 定义PID变量结构体：   struct _pid{     float SetSpeed;           //定义设定值     float ActualSpeed;        //定义实际值     float err;                //定义偏差值     float err_last;           //定义上一个偏差值     float Kp,Ki,Kd;           //定义比例、积分、微分系数     float voltage;            //定义电压值（控制执行器的变量）     float integral;           //定义积分值 }pid;   ②初始化变量：   void PID_init(){     pid.SetSpeed=0.0;     pid.ActualSpeed=0.0;     pid.err=0.0;     pid.err_last=0.0;     pid.voltage=0.0;     pid.integral=0.0;     pid.Kp=0.2;     pid.Ki=0.015;     pid.Kd=0.2; }    Kp,Ki,Kd三个参数，调试过程当中，对于要求的控制效果，可以通过调节这三个量直接进行调节。  当然也可以写函数来直接修改比例系数的值，这很简单我就不写了。 ③控制算法：   float PID_realize(float speed){     pid.SetSpeed=speed;     pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;     pid.integral+=pid.err;     pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);     pid.err_last=pid.err;     pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;     return pid.ActualSpeed; }    注：这是最基本的算法实现形式，稳定到设定值的速度慢，且没有考虑死区问题，还没有设定阈值，。这只是一种原理上算法的直接实现，并不能直接用于工程中。   (四) 增量型PID——C语言 ①定义并初始化PID   struct _pid{     float SetSpeed;            //定义设定值     float ActualSpeed;        //定义实际值     float err;                //定义偏差值     float err_next;            //定义上一个偏差值     float err_last;            //定义最上前的偏差值     float Kp,Ki,Kd;            //定义比例、积分、微分系数 }pid;   void PID_init(){     pid.SetSpeed=0.0;     pid.ActualSpeed=0.0;     pid.err=0.0;     pid.err_last=0.0;     pid.err_next=0.0;     pid.Kp=0.15;     pid.Ki=0.20;     pid.Kd=0.25; }   ②控制算法：   float PID_realize(float speed){     pid.SetSpeed=speed;     pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;     float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last);     pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;     pid.err_last=pid.err_next;     pid.err_next=pid.err;     return pid.ActualSpeed; } ③测试算法   int main(){     PID_init();     int count=0;     while(count<1000)     {         float speed=PID_realize(150.0);         printf("%f\n",speed);         count++;     }     return 0; }   (五) 积分分离的PID控制算法——C语言   当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用; 当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度与稳定速度。   部分控制代码   if(abs(pid.err)>100)     {     index=0;     }else{     index=1;     pid.integral+=pid.err;     }     pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);      这种控制算法的速度很快   (六) 抗积分饱和的PID控制算法——C语言   积分饱和现象是指当系统是一个方向出现的偏差,使PID控制器的输出与积分作用不断积累更多,导致执行机构超出极限位置。   这时如果控制器输出U (k)继续增加,致动器的开放不可能增加,电脑输出控制量超出了正常操作范围,进入饱和区。当系统出现反向偏差时，u(k)逐渐退出饱和区。你进入饱和区越深，你离开的时间就越长。系统就会失控,导致控制性能的恶化。   防止积分饱和的方法之一——抗积分饱和法，该方法的思路是在计算u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否已经超出了极限范围： 若u(k-1)>umax，则只累加负偏差; 若u(k-1)<umin，则只累加正偏差。避免了控制量长时间在饱和区。   struct _pid{     float SetSpeed;            //定义设定值     float ActualSpeed;        //定义实际值     float err;                //定义偏差值     float err_last;            //定义上一个偏差值     float Kp,Ki,Kd;            //定义比例、积分、微分系数     float voltage;             //定义控制执行器的变量     float integral;            //定义积分值     float umax;     float umin; }pid;   void PID_init(){     pid.SetSpeed=0.0;     pid.ActualSpeed=0.0;     pid.err=0.0;     pid.err_last=0.0;     pid.voltage=0.0;     pid.integral=0.0;     pid.Kp=0.2;     pid.Ki=0.1;         //这里加大了积分环节的值     pid.Kd=0.2;     pid.umax=100;     pid.umin=-100; } float PID_realize(float speed){     int index;     pid.SetSpeed=speed;     pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;      if(pid.ActualSpeed>pid.umax)       {        if(abs(pid.err)>100)               {             index=0;         }else{             index=1;             if(pid.err<0)             {               pid.integral+=pid.err;             }         }     }else if(pid.ActualSpeed<pid.umin){         if(abs(pid.err)>100)      //积分分离过程         {             index=0;         }else{             index=1;             if(pid.err>0)             {             pid.integral+=pid.err;             }         }     }else{         if(abs(pid.err)>200)                    //积分分离过程         {             index=0;         }else{             index=1;             pid.integral+=pid.err;         }     }       pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);     pid.err_last=pid.err;     pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;     return pid.ActualSpeed; }   (七) 变积分的PID控制算法——C语言   根据系统的偏差大小改变积分速度。   变积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢; 偏差越小，积分越快。  具体实现思路为：   给积分系数前加上一个比例值index：    当abs(err)<150时，  index=1;   当100<abs(err)<150时，index=（150-abs(err)/20;   当abs(err)>150时，  index=0;  最终的比例环节的比例系数值为ki*index;   控制函数为：  float PID_realize(float speed){     float index;     pid.SetSpeed=speed;     pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;          //变积分过程     if(abs(pid.err)>150)    {     index=0.0;     }else if(abs(pid.err)<100){     index=1.0;     pid.integral+=pid.err;     }else{     index=(150-abs(pid.err))/20;     pid.integral+=pid.err;     }     pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);       pid.err_last=pid.err;     pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;     return pid.ActualSpeed; }  这种控制方式会使系统的稳定速度非常快     这就是一些简单的PID实现的大体思路。在实际工程中需要结合实际再加调整，选择合适项目的PID算法。在有些时候，也许只用到PI或PD即可。   (八) 附言 附送一个参数整定口诀                   参数整定找最佳， 从小到大顺序查。                 先是比例后积分， 最后再把微分加。                 曲线振荡很频繁， 比例度盘要放大。                 曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。                 曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。                 曲线波动周期长， 积分时间再加长。                 曲线振荡频率快， 先把微分降下来。                 动差大来波动慢， 微分时间应加长。                 理想曲线两个波， 前高后低四比一。                 一看二调多分析， 调节质量不会低。     这只是PID纯算法部分，如何将PID算出的数值合理地反馈到输入上，如何定时去捕获执行PID，可以在我的他博文中查看。   (一) 前言  PID算法在工业应用中随处可见。大学期间，想做各类科创也少不了PID算法的身影。PID除了需要理解原理，用合理的代码实线PID算法也让许多同学们苦恼，我总结了常用的多种PID算法的C语言实现，供大家参考学习。  我只是简单总结了常用的一些PID算法。对于模糊PID和专家PID，因为我也没用到过，就没有具体给出代码，这其中最难的还是参数的整定。当然仿真软件也十分有帮助，大家可以看我另外的Simulink的学习。  整理不易，请留个赞呗、
(二) PID原理简单介绍 PID的流程本质上是通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。 先大致介绍一下PID的控制流程。
 首先，我们给出定义的连续的PID公式：
 但在工程中，我们想要用处理器去计算，必须将其化为离散化模型。这样处理器才可以进行计算。
 偏差            err(K)=rin(K)-rout(K); 积分环节用加和的形式表示  err(K)+err(K+1)+……; 微分环节用斜率的形式表示  [err(K)-err(K-1)]/T;
 通过以上公式，可以得到PID离散表示形式：
[1] 位置式PID下面是位置式PID：

[2] 增量式PID下面是PID的增量式表示方式：
  增量式的结果和近三次的偏差相关，这就很大地提高了系统的稳定性。 注意的是最终的输出结果应该为：      u(K)+调节值;
(三) 位置式PID——C语言① 定义PID变量结构体：
struct _pid{    float SetSpeed;           //定义设定值    float ActualSpeed;        //定义实际值    float err;                //定义偏差值    float err_last;           //定义上一个偏差值    float Kp,Ki,Kd;           //定义比例、积分、微分系数    float voltage;            //定义电压值（控制执行器的变量）    float integral;           //定义积分值}pid;123456789②初始化变量：
void PID_init(){    pid.SetSpeed=0.0;    pid.ActualSpeed=0.0;    pid.err=0.0;    pid.err_last=0.0;    pid.voltage=0.0;    pid.integral=0.0;    pid.Kp=0.2;    pid.Ki=0.015;    pid.Kd=0.2;}1234567891011 Kp,Ki,Kd三个参数，调试过程当中，对于要求的控制效果，可以通过调节这三个量直接进行调节。 当然也可以写函数来直接修改比例系数的值，这很简单我就不写了。③控制算法：
float PID_realize(float speed){    pid.SetSpeed=speed;    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;    pid.integral+=pid.err;    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);    pid.err_last=pid.err;    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;    return pid.ActualSpeed;}123456789 注：这是最基本的算法实现形式，稳定到设定值的速度慢，且没有考虑死区问题，还没有设定阈值，。这只是一种原理上算法的直接实现，并不能直接用于工程中。
(四) 增量型PID——C语言①定义并初始化PID
struct _pid{    float SetSpeed;            //定义设定值    float ActualSpeed;        //定义实际值    float err;                //定义偏差值    float err_next;            //定义上一个偏差值    float err_last;            //定义最上前的偏差值    float Kp,Ki,Kd;            //定义比例、积分、微分系数}pid;
void PID_init(){    pid.SetSpeed=0.0;    pid.ActualSpeed=0.0;    pid.err=0.0;    pid.err_last=0.0;    pid.err_next=0.0;    pid.Kp=0.15;    pid.Ki=0.20;    pid.Kd=0.25;}
12345678910111213141516171819②控制算法：
float PID_realize(float speed){    pid.SetSpeed=speed;    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;    float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last);    pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;    pid.err_last=pid.err_next;    pid.err_next=pid.err;    return pid.ActualSpeed;}123456789③测试算法
int main(){    PID_init();    int count=0;    while(count<1000)    {        float speed=PID_realize(150.0);        printf("%f\n",speed);        count++;    }    return 0;}1234567891011(五) 积分分离的PID控制算法——C语言  当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用; 当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度与稳定速度。  部分控制代码
if(abs(pid.err)>100)    {    index=0;    }else{    index=1;    pid.integral+=pid.err;    }    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);  12345678 这种控制算法的速度很快
(六) 抗积分饱和的PID控制算法——C语言  积分饱和现象是指当系统是一个方向出现的偏差,使PID控制器的输出与积分作用不断积累更多,导致执行机构超出极限位置。  这时如果控制器输出U (k)继续增加,致动器的开放不可能增加,电脑输出控制量超出了正常操作范围,进入饱和区。当系统出现反向偏差时，u(k)逐渐退出饱和区。你进入饱和区越深，你离开的时间就越长。系统就会失控,导致控制性能的恶化。  防止积分饱和的方法之一——抗积分饱和法，该方法的思路是在计算u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否已经超出了极限范围： 若u(k-1)>umax，则只累加负偏差; 若u(k-1)<umin，则只累加正偏差。避免了控制量长时间在饱和区。
struct _pid{    float SetSpeed;            //定义设定值    float ActualSpeed;        //定义实际值    float err;                //定义偏差值    float err_last;            //定义上一个偏差值    float Kp,Ki,Kd;            //定义比例、积分、微分系数    float voltage;             //定义控制执行器的变量    float integral;            //定义积分值    float umax;    float umin;}pid;
void PID_init(){    pid.SetSpeed=0.0;    pid.ActualSpeed=0.0;    pid.err=0.0;    pid.err_last=0.0;    pid.voltage=0.0;    pid.integral=0.0;    pid.Kp=0.2;    pid.Ki=0.1;         //这里加大了积分环节的值    pid.Kd=0.2;    pid.umax=100;    pid.umin=-100;}float PID_realize(float speed){    int index;    pid.SetSpeed=speed;    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
   if(pid.ActualSpeed>pid.umax)      {       if(abs(pid.err)>100)              {            index=0;        }else{            index=1;            if(pid.err<0)            {              pid.integral+=pid.err;            }        }    }else if(pid.ActualSpeed<pid.umin){        if(abs(pid.err)>100)      //积分分离过程        {            index=0;        }else{            index=1;            if(pid.err>0)            {            pid.integral+=pid.err;            }        }    }else{        if(abs(pid.err)>200)                    //积分分离过程        {            index=0;        }else{            index=1;            pid.integral+=pid.err;        }    }
    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);    pid.err_last=pid.err;    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;    return pid.ActualSpeed;}
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768(七) 变积分的PID控制算法——C语言  根据系统的偏差大小改变积分速度。  变积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢; 偏差越小，积分越快。 具体实现思路为：  给积分系数前加上一个比例值index：   当abs(err)<150时，  index=1;  当100<abs(err)<150时，index=（150-abs(err)/20;  当abs(err)>150时，  index=0; 最终的比例环节的比例系数值为ki*index;控制函数为：
 float PID_realize(float speed){    float index;    pid.SetSpeed=speed;    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;        //变积分过程    if(abs(pid.err)>150)   {    index=0.0;    }else if(abs(pid.err)<100){    index=1.0;    pid.integral+=pid.err;    }else{    index=(150-abs(pid.err))/20;    pid.integral+=pid.err;    }    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);
    pid.err_last=pid.err;    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;    return pid.ActualSpeed;}
12345678910111213141516171819202122 这种控制方式会使系统的稳定速度非常快
  这就是一些简单的PID实现的大体思路。在实际工程中需要结合实际再加调整，选择合适项目的PID算法。在有些时候，也许只用到PI或PD即可。
(八) 附言附送一个参数整定口诀
                参数整定找最佳， 从小到大顺序查。                先是比例后积分， 最后再把微分加。                曲线振荡很频繁， 比例度盘要放大。                曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。                曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。                曲线波动周期长， 积分时间再加长。                曲线振荡频率快， 先把微分降下来。                动差大来波动慢， 微分时间应加长。                理想曲线两个波， 前高后低四比一。                一看二调多分析， 调节质量不会低。12345678910  这只是PID纯算法部分，如何将PID算出的数值合理地反馈到输入上，如何定时去捕获执行PID，可以在我的其他博文中查看。————————————————版权声明：本文为CSDN博主「TaiBai-let」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。原文链接：https://blog.csdn.net/Nirvana_Tai/article/details/105409311