1、PID 控制算法的 C 语言实现一 PID 算法原理最近两天在考虑一般控制算法的 C 语言实现问题，发现网络上尚没有一套完整的比较体系的讲解。于是总结了几天，整理一套思路分享给大家。在工业应用中 PID 及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法，如果能够熟练掌握 PID 算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员来讲，应该是足够应对一般研发问题了，而难能可贵的是，在我所接触的控制算法当中，PID 控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的，而且是最简单的，想想牛顿的力学三大定律吧，想想爱因斯坦的质能方程吧，何等的简
2、单！简单的不是原始的，简单的也不是落后的，简单到了美的程度。先看看 PID 算法的一般形式：PID 的流程简单到了不能再简单的程度，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。这里我们规定（在 t 时刻）：1.输入量为 rin(t);2.输出量为 rout(t);3.偏差量为 err(t)=rin(t)-rout(t);pid 的控制规律为理解一下这个公式，主要从下面几个问题着手，为了便于理解，把控制环境具体一下：1.规定这个流程是用来为直流电机调速的;2.输入量 rin(t)为电机转速预定值;3.输出量 rout(t)为电机转速实际值;4.执行器为直流电机;5.传
3、感器为光电码盘，假设码盘为 10 线;(压差)6.直流电机采用 PWM 调速 转速用单位 转/min 表示;不难看出以下结论：1.输入量 rin（t）为电机转速预定值（转/min）;2. 输出量 rout(t)为电机转速实际值（转/min）;3.偏差量为预定值和实际值之差（转/min）;那么以下几个问题需要弄清楚：1.通过 PID 环节之后的 U(t)是什么值呢？2.控制执行器（直流电机）转动转速应该为电压值（也就是 PWM 占空比）。3.那么 U(t)与 PWM 之间存在怎样的联系呢？http:/ 1）这篇文章上给出了一种方法，即，每个电压对应一个转速，电压和转速之间呈现线性关系。但是我考虑
4、这种方法的前提是把直流电机的特性理解为线性了，而实际情况下，直流电机的特性绝对不是线性的，或者说在局部上是趋于线性的，这就是为什么说 PID 调速有个范围的问题。具体看一下http:/articles.e- 2）这篇文章就可以了解了。所以在正式进行调速设计之前，需要现有开环系统，测试电机和转速之间的特性曲线（或者查阅电机的资料说明），然后再进行闭环参数整定。这篇先写到这，下一篇说明连续系统的离散化问题。并根据离散化后的特点讲述位置型 PID 和增量型 PID 的用法和 C 语言实现过程。PID 控制算法的 C 语言实现二 PID 算法的离散化上一节中，我论述了 PID 算法的基本形式，并对其控
5、制过程的实现有了一个简要的说明，通过上一节的总结，基本已经可以明白 PID 控制的过程。这一节中先继续上一节内容补充说明一下。1.说明一下反馈控制的原理，通过上一节的框图不难看出，PID 控制其实是对偏差的控制过程;2.如果偏差为 0,则比例环节不起作用，只有存在偏差时，比例环节才起作用。3.积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程，把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差。4.而微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。好了，关于 PID 的基
6、本说明就补充到这里，下面将对 PID 连续系统离散化，从而方便在处理器上实现。下面把连续状态的公式再贴一下：假设采样间隔为 T，则在第 K T 时刻：偏差 err(K)=rin(K)-rout(K);积分环节用加和的形式表示，即 err(K)+err(K+1)+;微分环节用斜率的形式表示，即err(K)-err(K-1)/T;从而形成如下 PID 离散表示形式：则 u(K)可表示成为：至于说 Kp、Ki、Kd 三个参数的具体表达式，我想可以轻松的推出了，这里节省时间，不再详细表示了。其实到这里为止，PID 的基本离散表示形式已经出来了。目前的这种表述形式属于位置型 PID，另外一种表述方式为增
7、量式 PID，由 U 上述表达式可以轻易得到：那么：这就是离散化 PID 的增量式表示方式，由公式可以看出，增量式的表达结果和最近三次的偏差有关，这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出结果应该为u(K)+增量调节值;PID 的离散化过程基本思路就是这样，下面是将离散化的公式转换成为 C 语言，从而实现微控制器的控制作用。PID 控制算法的 C 语言实现三 位置型 PID 的 C 语言实现上一节中已经抽象出了位置性 PID 和增量型 PID 的数学表达式，这一节，重点讲解 C 语言代码的实现过程，算法的 C 语言实现过程具有一般性，通过 PID算法的 C 语言实现，可以以此类推，设
8、计其它算法的 C 语言实现。第一步：定义 PID 变量结构体，代码如下：struct _pidfloat 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;控制算法中所需要用到的参数在一个结构体中统一定义，方便后面的使用。第二部：初始化变量，代码如下：void PID_init()printf(“PID_ini
9、t begin n“);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;printf(“PID_init end n“);统一初始化变量，尤其是 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。第三步：编写控制算法，代码如下：float PID_realize(float speed)pid.SetSpeed=speed;pid.
10、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;注意：这里用了最基本的算法实现形式，没有考虑死区问题，没有设定上下限，只是对公式的一种直接的实现，后面的介绍当中还会逐渐的对此改进。到此为止，PID 的基本实现部分就初步完成了。下面是
11、测试代码：int main()printf(“System begin n“);PID_init();int count=0;while(count#includestruct _pidfloat 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
12、=0.0;pid.err_last=0.0;pid.err_next=0.0;pid.Kp=0.2;pid.Ki=0.015;pid.Kd=0.2;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;
