codesys pid功能块说明

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数据小探 2024-09-06 16:00:31

文章标签 codesys pid功能块说明 PID算法闭环控制 C语言积分限制 文章分类 架构后端开发

一、PID算法简介

PID 是 Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的首字母缩写，它是一种结合比例、积分和微分三个

codesys pid功能块说明_闭环控制

环节于一体的闭环控制算法。

本质：根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。

二、PID离散公式

1、位置式

codesys pid功能块说明_C语言_02

Kp: 比例系数。

Ki: 积分系数。

Kd: 微分系数。

ek : 实际与预期的误差值。

∑_j=0^k▒e_j : 每一次误差值的和。

ek-ek-1 ：本次误差值与上一次误差值的插值。

有人喜欢把P认为是过去（及过去的误差）、I认为是现在（及现在所要达到的值）、D认为是将来（及对将来所要达到值的控制）。

代码实现：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define Kp 0.1f
#define Ki 0.01f
#define Kd 0.0f
typedef struct{
   float target_value;           //设定的目标值及需要达到的最终值
   float current_value;          //当前值（可认为外部的反馈值）
   float CAL_value;              //计算需要输出的值
   float sum_error;              //累计的偏差值
   float error;                  //误差值
   float last_error;             //上一次误差值
   float pre_error;              //上上一次误差值（增量式pid中使用）
} PID;

   PID pid;
   float control_value = 0;
float Velocity_FeedbackControl(float Targetvalue, float Currentvalue){

   pid.error =  Targetvalue - Currentvalue;
   pid.sum_error += pid.error;

//   if(pid.sum_error>500){
//      pid.sum_error = 500;
//   }
//   if(pid.sum_error < 0){
//      pid.sum_error = 0;
//   }
   pid.CAL_value += (Kp * pid.error  + Ki * pid.sum_error + Kd * (pid.error - pid.last_error));
   pid.last_error = pid.error;
   pid.current_value = pid.CAL_value;          //由于没有外部反馈  就默认当值已经到达计算值 
   return pid.current_value;
}

int main(void){
   memset(&pid, 0,sizeof(PID));
   int i = 0;   
   while(i<100){
      i++;
      pid.current_value = Velocity_FeedbackControl(10, pid.current_value);
      printf("%f\n", pid.current_value);
   }

   return 0;
}

运行结果如下：

codesys pid功能块说明_闭环控制_03

从结果看出结果还是理想的，由于Kd设置为0没有消除静态误差，所以出现了超过目标值10.

while循环中仅仅设置了100次而已，在正真的闭环中，次数式不限的。

注意到代码中注释的段落，对pid.sum_error设限制是因为在一个闭环系统中pid会无限制的进行计算，这个pid.sum_error会不断地累计。就电机控制中的速度环而言，若停在一个速度保持很近，突然给定一个减速指令，整个系统的响应会变得很慢所以需要设定限制。

2、增量式

增量式的pid是有位置式推到出来的如下：

codesys pid功能块说明_PID算法_04

第一步：把 k = k −1 代入公式①中，得：

codesys pid功能块说明_积分限制_05

第二步：把公式① − 公式②，得：

codesys pid功能块说明_PID算法_06

可以看出增量式PID计算的是相对上一次输出的增量，即u_k= u_k−1+ ∆u_k 。增量只与近3次的偏差有关，计算出现异常对系统工作影响较小。计算量较小。

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define Kp 0.1f
#define Ki 0.01f
#define Kd 0.1f
typedef struct{
   float target_value;           //设定的目标值及需要达到的最终值
   float current_value;          //当前值（可认为外部的反馈值）
   float CAL_value;              //计算需要输出的值
   float sum_error;              //累计的偏差值
   float error;                  //误差值
   float last_error;             //上一次误差值
   float pre_error;              //上上一次误差值（增量式pid中使用）
} PID;

   PID pid;

float Velocity_FeedbackControl(float Targetvalue, float Currentvalue){
      pid.error =  Targetvalue - Currentvalue;
      pid.CAL_value +=(Kp * (pid.error - pid.last_error) + Ki * pid.error + Kd * (pid.error - 2* pid.last_error + pid.pre_error));
      pid.pre_error = pid.last_error;
      pid.last_error = pid.error;
      pid.current_value = pid.CAL_value;                    //由于没有外部反馈  就默认当值已经到达计算值 
      return pid.current_value;
}

int main(void){
   memset(&pid, 0,sizeof(PID));
   int i = 0;   
   while(i<500){
      i++;
      pid.current_value = Velocity_FeedbackControl(10, pid.current_value);
      printf("%f\n", pid.current_value);
   }

   return 0;
}

运行结果如下：

codesys pid功能块说明_C语言_07