我的PID学习历程---PID位置式和增量式
时间：2024-04-20 20:00:38 来源：网络cs 作者：言安琪 栏目：卖家故事 阅读：
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起因一、什么是开环系统？二、什么是PID？KP，KI，KD三个参数的作用 三、PID算法的离散化1、什么是位置式PID？2、位置式PID实现3、什么是增量式PID？4、增量式PID实现 四、采用VOFA+调试PIDfirewater协议格式justfloat协议格式 五、目前六、后面一段时间七、参考代码
起因
前一篇文章实现了使用TB6612驱动电机及编码器测速，但是在实际测速的过程中，如果我们人为给电机一个阻力，电机的速度将会下降，编码器接口获取到的脉冲数也会减少。
但是如果要使电机保持一个恒定的速度，即使遇到阻力它的速度也不会下降。这个时候就需要引入PID算法了。
不仅仅是速度，很多参数都可以通过PID算法进行闭环控制，比如温度，角度等。
PID是反馈环的调节机制
就拿电机速度为例
电机的转速有误差，把实测转速输入和设定比较的差值用PID运算输出控制占空比，那么增减转速就可以实现精确控制了
作为一个菜鸡选手，感觉自己好菜，将学习中遇到的问题和经历记录一下
如何调节PID参数？如何根据PID算法调节电机的速度？如何使用PID实现闭环控制？
啊~，怎么这么多，自己又陷入了无限的内耗中，搞不出来，看不懂文章，PID什么鬼？
目前暂时实现了电机的速度环调参
在学习了一段时间后，自己对这个东西理解的好像深一点了，仅停留在会用的地步，对三个参数也是浅显的理解，知道了如何配合串口上位机进行调参，总的来说还是挺有收获的。
一、什么是开环系统？
在没有引入PID时，我们控制速度的系统是一个开环系统，控制电机的速度一般是通过控制PWM的占空比来控速。
我们需要目标速度，就一步一步的去尝试，速度慢了，就加大占空比，快了，就减小占空比，但是在实际尝试的过程中，我发现，很难人为控制占空比得到一个很精确的速度。
这个开环系统就是，设置占空比–>得到电机转速–>根据电机转速来判断占空比是否应该减小OR增大–>调整占空比
二、什么是PID？
PID：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。
用一句话来说，就是对输入偏差进行积分微分计算，用运算的叠加结果去控制执行机构
听起来很简单吧，一句话就讲完了。
啊😥，要是这么简单就好了。来看看下面的图，就是一个基本的PID控制框图
这就是形成了一个闭环系统，r(t)是输入量，u(t)是输出量
贴一篇链接：
一文读懂PID控制算法（抛弃公式，从原理上真正理解PID控制）
大家可以康康看，好好理解
KP，KI，KD三个参数的作用
KP增加时，响应速度变快，当Ki增加时，能最终趋于目标值，KD增加时，可以减小震荡。
P:比例控制系统快速响应，快速接近于目标值，但是存在静态误差，输出到达不了目标值，会有误差。
I:积分控制系统的准确性，消除累积的误差，输出到达目标值
D:微分控制系统的稳定性，具有超前的控制作用，防止输出超过目标
大家理解这三个参数的作用，这样在调参的时候就会很快，是加大还是减小参数。
三、PID算法的离散化
1、什么是位置式PID？
这方面我就不大写阔论了，好多大佬都比我讲的好，我在这里贴出几个链接，大家可以参考
增量式pid+位置式PID（电机位置闭环控制）
位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法
这个大佬的教程也很不错，我也学习了很久，顿悟了很多
而且这个大佬的教程是一系列的，大家可以有选择的学习
PID-电机速度控制-B
电机控制进阶——PID速度控制–CSDN
如果大家不理解位置式PID公式的话，可以首先了解如何使用，如何调参，如何使用PID进行闭环控制，这里以速度为例
大家可以看我下面位置式PID的实现,我直接给出了源代码，大家可以参考
位置式是离散型的PID,大家记住比例Kp,积分Ki,微分Kd这三个参数的作用，再就是位置式的代码化实现
2、位置式PID实现
pid.h
#ifndef __PID_H#define __PID_H #include "sys.h"typedef struct { float target_val; //目标值 float err; //偏差值 float err_last; //上一个偏差值 float Kp,Ki,Kd; //比例、积分、微分系数 float integral; //积分值 float output_val;//输出值}PID; extern PID pid;pid.h
#include "pid.h"#include "encoder.h"//位置式 有误差，速度比较慢PID pid;void PID_param_init(void){ /* 初始化参数 */ pid.err=0.0; pid.err_last=0.0; pid.integral=0.0;//积分项 pid.Kp=15.0;//最优 pid.Ki=1.0;//0.05 0.1 p 15.0 i 0.1 kd 2.5 pid.Kd=1.5;//调节成功p 25.0 i 0.03 kd 0.025 //kd 4.0 最大 15 1.0 1.5pid.target_val = 26;//目标值pid.output_val=0.0;//输出值}//位置式pid 传入实际值即可float PID_realize(float actual_val){/*计算目标值与实际值的误差*/pid.err = pid.target_val - actual_val;//目标值和实际值的误差/*积分项*/pid.integral += pid.err;//误差累积/*PID算法实现*/pid.output_val = pid.Kp * pid.err + pid.Ki * pid.integral + pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);//位置式/*误差传递*/pid.err_last = pid.err;/*返回当前实际值*/return pid.output_val;}还有一种位置
3、什么是增量式PID？
关于这个增量式PID大家可以参考下面的链接，好好学习，大佬还是讲的很明白的
电机速度环和位置环PID调参教程–B站
【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)_32 hal库将pid坐标转换化为角度_Hz1213825的博客-CSDN博客
4、增量式PID实现
一般使用增量式PI就可以控制住速度了，所以我们采用增量式PI控制速度，闭环速度环，大家可以参考下面的代码，传入目标值和当前值，输出PI运算后的输出
进行PI调参，进而控制电机速度
// 速度环pi控制 使用增量式/**************************************************************************函数功能：增量PI控制器入口参数：编码器测量值，目标速度返回 值：电机PWM根据增量式离散PID公式out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推out代表增量输出在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)**************************************************************************/int Incremental_PI(int Encoder, int Target){ float Kp = 10.0, Ki = 1; static int error, out, err_last; // 误差 输出 上一次误差 error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。 out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。 err_last = error; // 保存上一次偏差 return out; // 增量输出}四、采用VOFA+调试PID
参考我的这一篇文章：如何使用VOFA+？一款好用的上位机软件(VOFA+的三种数据传输协议）——以PID调参为例
大家可以选择
firewater协议格式或者justfloat协议格式,这两种协议都可以显示数据的波形，可以一边调参，一边查看曲线，再修改参数，直至达到目标值为止。
firewater协议格式
我做出个示例
使用firewater协议格式，可以是任何类型的数据，但是以逗号隔开，最后必须以\n结尾，这样在上位机中就可以显示出波形了
下方分别代表当前速度，目标速度，输出
printf("%f,%f,%f\n",current,target,out);//脉冲，目标值，outjustfloat协议格式
如果这种协议不懂得话
大家可以直接使用我编写的库，简单好用
vofa.c
/*要点提示:1. float和unsigned long具有相同的数据结构长度2. union据类型里的数据存放在相同的物理空间*/typedef union{ float fdata; unsigned long ldata;} FloatLongType;/*将浮点数f转化为4个字节数据存放在byte[4]中*/void Float_to_Byte(float f,unsigned char byte[]){ FloatLongType fl; fl.fdata=f; byte[0]=(unsigned char)fl.ldata; byte[1]=(unsigned char)(fl.ldata>>8); byte[2]=(unsigned char)(fl.ldata>>16); byte[3]=(unsigned char)(fl.ldata>>24);}void JustFloat_Test(void)//justfloat 数据协议测试{ float a=1,b=2;//发送的数据 两个通道u8 byte[4]={0};//float转化为4个字节数据u8 tail[4]={0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};//帧尾//向上位机发送两个通道数据Float_to_Byte(a,byte);//u1_printf("%f\r\n",a);u1_SendArray(byte,4);//1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3FFloat_to_Byte(b,byte);u1_SendArray(byte,4);//2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40 //发送帧尾u1_SendArray(tail,4);//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}//向vofa发送数据 三个数据 三个通道 可视化显示 帧尾void vofa_sendData(float a,float b,float c){ //float a=1,b=2;//发送的数据 两个通道 u8 byte[4]= {0};//float转化为4个字节数据 u8 tail[4]= {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};//帧尾 //向上位机发送两个通道数据 Float_to_Byte(a,byte); //u1_printf("%f\r\n",a); u1_SendArray(byte,4);//1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3F Float_to_Byte(b,byte); u1_SendArray(byte,4);//2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40 Float_to_Byte(c,byte); u1_SendArray(byte,4); //发送帧尾 u1_SendArray(tail,4);//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}使用
void vofa_sendData(float a,float b,float c) //a,b,c代表三个通道波形五、目前
我要实现的是速度环和位置闭环，我现在首先目标是单环控制，首先速度环，然后位置环
速度环采用增量式PI控制，位置环采用位置式PID控制
速度环没问题（在这里无论是位置式还是增量式都实现了进行速度控制，这里建议增量式PI）
但是目前位置式PID控制位置环出现了点问题，当我调参的时候，无论目标速度调成多大，电机的转速总是会趋近于最大转速，目前这个问题还未解决,暂定
大家可以参考我的代码，采用VOFA+上位机显示调参波形，根据波形进行调参，希望可以帮助到大家。
我只贴出主要控制代码，我的工程文件将会开源，大家可以下载,参考
/* * @Author: _oufen * @Date: 2023-03-31 18:23:31 * @LastEditTime: 2023-04-01 19:34:31 * @Description: */#include "timer4.h"#include "led.h"#include "encoder.h"#include "motor.h"#include "vofa.h"#include "usart.h"// int encoder_speed; // 实际速度 近似脉冲// int target_speed = 30; // 目标速度 每10ms 30个脉冲// int Moto1; // 轮子输出值int encoder_position;int target_position = 13;int Moto1;void Timer4_Init(u16 psc, u16 arr) // Timer4_Init(7200-1,1000-1);{ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); TIM_DeInit(TIM4); // 定时器4恢复默认设置 //MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_6,GPIO_Mode_AF_PP); //MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_7,GPIO_Mode_AF_PP); //MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_8,GPIO_Mode_AF_PP); //MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_9,GPIO_Mode_AF_PP); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update); TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); // 清除更新中断请求位 TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);}// 向vofa发送数据 三个数据 三个通道 可视化显示 帧尾void vofa_sendData(float a, float b, float c){ u8 byte[4] = {0}; // float转化为4个字节数据 u8 tail[4] = {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f}; // 帧尾 // 向上位机发送两个通道数据 Float_to_Byte(a, byte); // u1_printf("%f\r\n",a); u1_SendArray(byte, 4); // 1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3F Float_to_Byte(b, byte); u1_SendArray(byte, 4); // 2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40 Float_to_Byte(c, byte); u1_SendArray(byte, 4); // 发送帧尾 u1_SendArray(tail, 4); // 帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}// 速度环pi控制 使用增量式/**************************************************************************函数功能：增量PI控制器入口参数：编码器测量值，目标速度返回 值：电机PWM根据增量式离散PID公式out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推out代表增量输出在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)**************************************************************************/int Incremental_PI(int Encoder, int Target){ float Kp = 10.0, Ki = 1; static int error, out, err_last; // 误差 输出 上一次误差 error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。 out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。 err_last = error; // 保存上一次偏差 return out; // 增量输出}/**************************************************************************函数功能：位置式PID控制器入口参数：编码器测量位置信息，目标位置返回 值：电机PWM根据位置式离散PID公式out=Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd[e（k）-e(k-1)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差∑e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累积和;其中k为1,2,,k;out代表输出**************************************************************************/int Position_PID(int Encoder, int Target){ float Position_KP = 15, Position_KI = 0.1, Position_KD = 0.1; // pid static float error, out, Integral_error, error_last; // 误差 输出 积分 上一次误差 error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。 Integral_error += error; // 求出偏差的积分 out = Position_KP * error + Position_KI * Integral_error + Position_KD * (error - error_last); // 位置式PID控制器 error_last = error; // 保存上一次偏差 return out; // 增量输出}int myabs(int a){ int temp; if (a < 0) temp = -a; else temp = a; return temp;}void Set_pwm(int pwm){ if (pwm > 0) AIN1 = 0, AIN2 = 1; else AIN1 = 1, AIN2 = 0; PWMA = myabs(pwm);//PWMA --> TIM1->CCR1}void Xianfu_Pwm(void){ int Amplitude = 99; if (Moto1 < -Amplitude) Moto1 = -Amplitude; if (Moto1 > Amplitude) Moto1 = Amplitude;}// 定时器定时调用/*void AutoReloadCallback(){ encoder_speed += Read_Encoder(2); // 读取真实速度 //printf("Encoder = %d\r\n", encoder_speed); Moto1 = Incremental_PI(encoder_speed, target_speed); // PID计算 Xianfu_Pwm(); // 对输出进行限幅 // printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA); Set_pwm(Moto1); vofa_sendData(encoder_speed, target_speed, PWMA); // 向上位机发送数据}*/void AutoReloadCallback(){ encoder_position = Read_Encoder(2); // 读取真实速度 //printf("Encoder = %d\r\n", encoder_position); Moto1 = Position_PID(encoder_position, target_position); // PID计算 Xianfu_Pwm(); // 对输出进行限幅 // printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA); Set_pwm(Moto1); vofa_sendData(encoder_position, target_position, PWMA); // 向上位机发送数据}void TIM4_IRQHandler(void) // 10ms{ if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET) { AutoReloadCallback(); // 定时调用 TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); LED1 = !LED1; }}六、后面一段时间
如果有时间得话，可能会玩一玩平衡小车，现成的硬件都有，据我了解，主要是角度环，直立环，速度环，三环闭环。
也许会对PID的理解和调参更进一步
如果没有时间的话，将会直接上手搭车，根据实际练习和学习其他模块，比如循迹，电机驱动，串口通信(和MV的通信),蓝牙，实际控制逻辑的编写等。
还是任重道远，从0到1，从无到有
七、参考代码
大家可以参考我的代码，已经全部开源
附带我的学习笔记和收集到的各种开源代码，希望大家可以学明白，也希望我的微博力量可以帮助到大家
加油加油
oufen/PID调试–我的代码
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