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【PID系列】PID代码设计

article 2025/3/7 5:32:03

PID代码设计目录

  • 1、PID对象设计
  • 2、PID接口参数
  • 3、PID接口函数
  • 4、PID控制

1、PID对象设计

   观察公式（21），发现我们控制PID，需要的变量主要有：

(1)我们要求解的参数有：

PID输出值output

（2）系统正常运行必须输入的参数有

比例常数Kp，

积分常数Ki，

微分常数Kd，

实时反馈值feedbackVal，

设定值setpoint，

采样时间samplingTime

（3）运行构成中需要求解的过程变量有：

当前偏差值error，

比例值proportion，

积分值integral，

求积分时，都是在上一次的积分值加上这次的偏差，所以也要记录上次的积分值lastIntegral，

微分值differential，

微分值等于本次的偏差减去上次的偏差，所以也要记录上次的偏差值lastError

   以上是PID中使用到的所有变量，我们将上述所有变量放入一个结构体中，定义该结构体为PID控制对象。上述参数中，某些参数可以以局部参数代替，我们暂时全部放入结构体，后期创建函数的时候，我们再优化。

定义结构体如下：

    typedef  struct PID_OBJ_TAG     //PID结构体对象
    {
        float Kp;           //比例常数
        float Ki;           //积分常数
        float Kd;           //微分常数
        float feedbackVal;  //实时反馈值
        float setpoint;     //设定值
        float samplingTime; //采样时间
        float error;        //当前偏差
        float lastError;    //上次偏差
        float proportion;   //比例值
        float integral;     //积分值
        float lastIntegral; //上一次积分
        float differential；//微分值
    }PID_OBJ_t;

PID对象我们已经创建完成。

我们在PID头文件内做一个宏定义，用来定义需要用到几个PID

    #define PID_MAX_NUM     3   //定义需要用到3个PID

在PID c文件内定义静态变量PID对象。

static  PID_OBJ_t PID_Object[PID_MAX_NUM];//定义PID参数对象

   我们定义了使用的PID对象的最大数量，那我们需要在PID对象还要再添加一个变量，来表示该对象有没有被使用，在使用之前我们将其设置为true，表示正在使用，使用结束后，将其设置为false，表示不再使用。该变量类型为bool，我们命名为used。这样PID对象就变为如下所示： 

    typedef  struct PID_OBJ_TAG     //PID结构体对象
    {
        float Kp;           //比例常数
        float Ki;           //积分常数
        float Kd;           //微分常数
        float feedbackVal;  //实时反馈值
        float setpoint;     //设定值
        float samplingTime; //采样时间
        float error;        //当前偏差
        float lastError;    //上次偏差

        float integral;     //积分值
        float lastIntegral; //上一次积分
        float differential;//微分值
        bool  used;         //表示该对象是否被使用
    }PID_OBJ_t;

2、PID接口参数

   我们从上述描述中看到，PID要正常运行，某些参数需要在开始之前进行传值，比如比例常数Kp，积分常数Ki， 微分常数Kd等等。

方案一 将PID控制对象结构体开放给调用者。

   将PID控制对象结构体开放给调用者，调用者在调用PID相关函数之前，自己对相关变量进行初始化。该方案对调用者来说，操作相当灵活。这是优点也是缺点。就像权力需要关进制度的笼子里面，才能发挥它该有的积极作用，否则可能就是消极作用甚至会产生毁灭。这种方案的缺点是，不仅把需要赋值的参数开放给了调用者，其他的比如过程参数等也开放给了调用者，这样，其他不需要调用者控制的参数调用者也有权控制，导致这些参数就会有被莫名更改的风险。另外，给调用者开放的参数过多，调用者就想要搞明白每一个参数的意义，但是对于调用者来说，无需知道其他参数的意义，这样不利于调用者快速学会使用该PID模块。一句话概括就是，这种方案不满足最少知识原则（迪米特法则）。

方案二　将需要赋值的参数单独封装起来，作为接口参数，通过函数对PID对象进行赋值。

   该方案值对用户开放有限的变量，用户只需要明白几个需要赋值的变量的意义，无需知道其他变量的意义就可以进行PID控制，对调用者来说比较友好，我们使用该方案。

   我们来定义一个PID对象配置结构体，作为接口参数，通过该结构体，对PID对象中的某些参数赋值 配置结构体定义如下： 

typedef struct PID_CFG_TAG
{
    float Kp;           //比例常数
    float Ki;           //积分常数
    float Kd;           //微分常数
    float samplingTime; //采样时间
}PID_CGF_t;

   有些人可能会问，为什么不把设定值和反馈值也加进去，它也是需要赋值才能正常工作的呀。主要是因为设定值和反馈值是实时变化的，放在这种开始前配置一次的的变量里面不合适，这两个变量我们在后面通过函数形参的形式直接提供更加合适一点。

3、PID接口函数

   接下来，我们需要创建一个传递这个配置参数的函数。函数原型如下： ```c PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam); ```

   该函数传递配置参数进去，返回PID对象的指针，但是对于调用者来说，没必要知道PID对象的细节，所以我们对PID对象的指针进行二次封装，命名为PID的id号(PID_Id)，表示当前PID的识别号，这样调用者就不会去追究PID对象的细节问题，有利于PID的使用。

我们在头文件中定义PID的ID号的类型如下：

typedef void * PID_Id;   //定义空指针为PID的ID号

函数PID_New的具体内容如下所示：

/**---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam)
 功    能:  分配PID对象，配置参数并返回PID id号
 输入参数:	pParam：PID配置参数
 输出参数:	如果PID对象创建成功，则返回ID号，如果创建不成功，则返回NULL
 返 回 值:	NA
 注意事项：	
---------------------------------------------------------------------------------------*/
PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam)
{
    if(pParam == NULL)//配置参数为空，则创建失败
    {
        return NULL;
    }

    for(int i = 0; i < PID_MAX_NUM; i++)
    {
        PID_OBJ_t *pThis;

        pThis = &PID_Object[i];

        if(!pThis->used)//寻找没有被使用的PID对象
        {
            pThis->Kp = pParam->Kp;
            pThis->Ki = pParam->Ki;
            pThis->Kd = pParam->Kd;
            pThis->samplingTime = pParam->samplingTime;
            pThis->used = true;
            return pThis;
        }
    }
    return NULL;
}

   到此，我们配置好PID对象了，获得了PID对象的id号，接下来我们通过id号来进行PID控制工作。

4、PID控制

   我们来创建一个函数，通过该函数完成PID的控制工作。 函数原型如下： ```c float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal); ```

   该函数带有3个形参，分别为PID对象Id号，设定值setpoint和实时反馈值feedbackVal。 该函数返回值为浮点型，代表计算出来的输出值output。计算出的输出值output可以直接送给执行机构去执行。

下面我们来写出函数体：

/*---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal)
 功    能:  PID控制
 输入参数:	id:PID Id号
            setpoint：设定值
            feedbackVal：反馈值
 输出参数:	NA
 返 回 值:	NA
 注意事项：	1、该函数需要以采样周期时间轮询调用
---------------------------------------------------------------------------------------*/
float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal)
{
    PID_OBJ_t pThis;
    float IntegralVal;

    //判断输入参数是否合法，保证程序的健壮性
    if(id == NULL)
    {
        return 0;
    }

    //将id降至类型转化为PID对象
    pThis = (PID_OBJ_t)id;

    //判断对象是否已经初始化
    if(!pThis->used)
    {
        return 0;
    }

    //求出偏差，偏差 = 当前设定值 - 当前反馈值
    pThis->error = setpoint - feedbackVal;

    //求比例项，比例项 = 比例常数Kp*偏差
    pThis->proportion = pThis->Kp * pThis->error;

    //求积分值，积分值 = 上一次计算得出的积分值 + 本次的偏差
    IntegralVal = pThis->lastIntegral +  pThis->error * pThis->samplingTime;
    //求积分项，积分项 =  积分常数 * 积分值 
    pThis->integral = pThis->Ki * IntegralVal;

    //保存本次的积分值，作为下一次积分中上一次计算得出的积分值
    This->lastIntegral = IntegralVal;

    //求微分项，微分项 = 微分常数 * （本次偏差 - 上一次偏差）
    pThis->differential = pThis->Kd * (pThis->error  - pThis->lastError ) / pThis->samplingTime;

    //保存本次偏差值作为下一次计算的上次偏差
    pThis->lastError = pThis->error;

    //求PID最终输出值
    pThis->output = pThis->proportion + pThis->integral + pThis->differential;

    return pThis->output;
}

   上面就是PID控制函数，明白了原理，再来码代码其实就非常简单。不过有些眼尖的朋友可能已经发现了，我们定义的PID对象中有些变量并没有用到，所以接下来我们就需要对整个PID进行优化了，其中有些过程参数完全可以用局部变量代替。优化过程我就不详细描述了。在这里贴出优化完成的PID头文件和c文件代码。

PID头文件如下：

#ifndef __PID_H
#define __PID_H
#include <stdint.h>

#define PID_MAX_NUM     3   //定义需要用到3个PID   

typedef struct PID_CFG_TAG
{
    float Kp;           //比例常数
    float Ki;           //积分常数
    float Kd;           //微分常数
    float samplingTime; //采样时间
}PID_CGF_t;

typedef void * PID_Id;   //定义空指针为PID的ID号

/**---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam)
 功    能:  分配PID对象，配置参数并返回PID id号
 输入参数:	pParam：PID配置参数
 输出参数:	如果PID对象创建成功，则返回ID号，如果创建不成功，则返回NULL
 返 回 值:	NA
 注意事项：	
---------------------------------------------------------------------------------------*/
extern PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam);

/*---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal)
 功    能:  PID控制
 输入参数:	id:PID Id号
            setpoint：设定值
            feedbackVal：反馈值
 输出参数:	NA
 返 回 值:	NA
 注意事项：	1、该函数需要以采样周期时间轮询调用
---------------------------------------------------------------------------------------*/
extern float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal);

#endif /*__PID_H*/

PID c文件如下：

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include "PID.h"

/*--------------------------------------------------------------------------------------
 							内部数据结构定义
--------------------------------------------------------------------------------------*/

typedef  struct PID_OBJ_TAG     //PID结构体对象
{
    float Kp;           //比例常数
    float Ki;           //积分常数
    float Kd;           //微分常数
    float samplingTime; //采样时间
    float lastError;    //上次偏差
    float lastIntegral; //上一次积分
    bool  used;         //表示该对象是否被使用
}PID_OBJ_t;



static  PID_OBJ_t PID_Object[PID_MAX_NUM];//定义PID参数对象


/**---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam)
 功    能:  分配PID对象，配置参数并返回PID id号
 输入参数:	pParam：PID配置参数
 输出参数:	如果PID对象创建成功，则返回ID号，如果创建不成功，则返回NULL
 返 回 值:	NA
 注意事项：	
---------------------------------------------------------------------------------------*/
PID_Id PID_New(PID_CGF_t * pParam)
{
    if(pParam == NULL)//配置参数为空，则创建失败
    {
        return NULL;
    }

    for(int i = 0; i < PID_MAX_NUM; i++)
    {
        PID_OBJ_t *pThis;

        pThis = &PID_Object[i];

        if(!pThis->used)//寻找没有被使用的PID对象
        {
            pThis->Kp = pParam->Kp;
            pThis->Ki = pParam->Ki;
            pThis->Kd = pParam->Kd;
            pThis->samplingTime = pParam->samplingTime;
            pThis->used = true;
            return pThis;
        }
    }
    return NULL;
}


/*---------------------------------------------------------------------------------------
 函数原型:  float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal)
 功    能:  PID控制
 输入参数:	id:PID Id号
            setpoint：设定值
            feedbackVal：反馈值
 输出参数:	NA
 返 回 值:	NA
 注意事项：	1、该函数需要以采样周期时间轮询调用
---------------------------------------------------------------------------------------*/
float PID_Work(PID_Id id， float setpoint， float feedbackVal)
{
    PID_OBJ_t *pThis;
    float integral;
    float error;
    float differential;

    //判断输入参数是否合法，保证程序的健壮性
    if(id == NULL)
    {
        return 0;
    }

    //将id降至类型转化为PID对象
    pThis = (PID_OBJ_t*)id;

    //判断对象是否已经初始化
    if(!pThis->used)
    {
        return 0;
    }

    //求出偏差，偏差 = 当前设定值 - 当前反馈值
    error = setpoint - feedbackVal;

    //求积分值，积分值 = 上一次计算得出的积分值 + 本次的偏差
    integral = pThis->lastIntegral +  error * pThis->samplingTime;
    //保存本次的积分值，作为下一次积分中上一次计算得出的积分值
    pThis->lastIntegral = integral;

    //求微分项，微分项 = 微分常数 * （本次偏差 - 上一次偏差）
    differential = pThis->Kd * (error  - pThis->lastError ) / pThis->samplingTime;

    //保存本次偏差值作为下一次计算的上次偏差
    pThis->lastError = error;

    //求PID最终输出值
    return pThis->Kp * error + pThis->Ki * integral + differential;
}

   这样我们写出了PID控制代码。但是这个控制代码是根据公式写出的理论性控制代码，可要在实际工程中使用，我们还需要考虑很多其他因素，后续几篇文章我们会不断的优化该控制代码，形成一个实际工程中拿来就用的PID控制模块。


http://www.kler.cn/a/286030.html

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