PID控制算法的C語言實現(xiàn)

PID控制算法的C語言實現(xiàn)一PID算法原理

最近兩天在考慮?般控制算法的c語言實現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)網絡上尚沒有?套

完整的比較體系的講解。于是總結了幾天，整理一套思路分享給大家。

在工業(yè)應用中P1D及其衍生算法是應用最廣泛的算法之一，是當之無愧的

萬能算法，如果能夠熟練掌握PID算法的設計與實現(xiàn)過程，對于一般的研發(fā)人員

來講，應該是足夠應對一般研發(fā)問題了，而難能可貴的是，在我所接觸的控制算

法當中，PID控制算法乂是最簡單，最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法，可謂經典中

的經典。經典的未必是復朵的，經典的東西常常是簡單的，而且是最簡單的，想

想牛頓的力學三大定律吧，想想愛因斯坦的質能方程吧，何等的簡單！簡單的不

是原始的，簡單的也不是落后的，簡單到了美的程度。先看看PID算法的一般形

式：

+

PID的流程簡單到了不能再簡單的程度，通過誤差信號控制被控量，而控

制器本身就是比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的加和。這里我們規(guī)定(在t時刻)：

1.輸入量為rin(t);

2.輸出量為rout(t);

3.偏差量為err(t)=rin(t)-rout(t);

pid的控制規(guī)律為

u(x)=kp(err(t)+yf?皿)a+，"咚門")

xV<</

理解一下這個公式，主要從下面幾個問題著手，為了便于理解，把控制環(huán)

境具體一下：

1.規(guī)定這個流程是用來為直流電機調速的;

2.輸入量rin（t）為電機轉速預定值;

3.輸出量rout（t）為電機轉速實際值；

4.執(zhí)行器為直流電機；

5.傳感器為光電碼盤，假設碼盤為10線；

6.直流電機采用PWM調速轉速用單位轉/min表示；

不難看出以下結論：

1.輸入量rin（t）為電機轉速預定值（轉/min）;

2.輸出量rout（t）為電機轉速實際值（轉/min）;

3.偏差量為預定值和實際值之差（轉/min）;

那么以下幾個問題需要弄消楚：

1.通過PTD環(huán)節(jié)之后的U（t）是什么值呢？

2.控制執(zhí)行器（宜流電機）轉動轉速應該為電壓值（也就是FWM占空比）。

3.那么U（t）與叫M之間存在怎樣的聯(lián)系呢？

http:〃blog.21ic.coin/userl/3407/archives/2006/33541.html（見附錄1）這

篇文章上給出了一種方法，即，每個電壓對應一個轉速，電壓和轉速之間呈現(xiàn)線

性關系。但是我考慮這種方法的前提是把直流電機的特性理解為線性了，而實際

情況下，直流電機的特性絕對不是線性的，或者說在局部上是趨于線性的，這就

是為什么說PID調速有個范圍的問題。具體看下

http://articles.e-works.net.cn/component/article90249.htm（見附錄2）

這篇文章就可以了解了。所以在正式進行調速設計之前，需要現(xiàn)有開環(huán)系統(tǒng)，測

試電機和轉速之間的特性曲線（或者查閱電機的資料說明），然后再進行閉環(huán)參

數(shù)整定。這篇先寫到這，下一篇說明連續(xù)系統(tǒng)的離散化問題。并根據離散化后的

特點講述位置型PID和增量型PID的用法和C語言實現(xiàn)過程。

PID控制算法的C語言實現(xiàn)二PID算法的離散化

上一節(jié)中，我論述了PID算法的基本形式，并對其控制過程的實現(xiàn)有了一

個簡要的說明，通過上一節(jié)的總結，基本已經可以明白PID控制的過程。這一節(jié)

中先繼續(xù)上一節(jié)內容補充說明一下。

L說明一下反饋控制的原理，通過上一節(jié)的框圖不難看出，PID控制其實

是對偏差的控制過程；

2.如果偏差為0,則匕例環(huán)節(jié)不起作用，只有存在偏差時，比例環(huán)節(jié)才起作

用。

3.積分環(huán)節(jié)主要是用來消除靜差，所謂靜差，就是系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出值和設

定值之間的差值，積分環(huán)節(jié)實際上就是偏差累計的過程，把累計的誤差加到原有

系統(tǒng)上以抵消系統(tǒng)造成的靜差。

4.而微分信號則反應了偏差信號的變化規(guī)律，或者說是變化趨勢，根據偏

差信號的變化趨勢來進行超前調節(jié)，從而增加了系統(tǒng)的快速性。

好了，關于PID的基本說明就補充到這里，下面將對PID連續(xù)系統(tǒng)離散化,

從而方便在處理器上實現(xiàn),下面把連續(xù)狀態(tài)的公式再貼一下：

“(X)=kp(err(t)+—Jm㈤況+,叱：】))

Xv?L

假設采樣間隔為T,則在第KT時刻：

偏差err(K)=rin(K)-rout(K);

積分環(huán)節(jié)用加和的形式表示，即err(K)+err(K+l)+...;

微分環(huán)節(jié)用斜率的形式表示，即[err(K)-err(KT)]/T;

從而形成如下PID離散表示形式：

T

u(k)=Kp(eEk)T+qZeEj)+作(err(k)-erT(k-l)))

則u(K)可表示成為：

u(k)=K(err(k)+KIX^r(j)+Kd(err(k)-err(k-l)))

至十說Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的具體表達式，我想可以輕松的推出了，這里節(jié)省

時間，不再詳細表示了。

其實到這里為止，PID的基本離散表示形式已經出來了，目前的這種表述形式屬

于位置型PID,另外一種表述方式為增量式PID,由U上述表達式可以輕易得到：

；"/(一1)二勺(。"伙一1)+(2。?(力+凡(。什化一1)一。"(/(―2)))

那么：

加⑶=k^(errof(k)-error(k-1))+&5所燈+屋("廣。垠)--1)+error(k-2))

這就是離散化PID的增量式;表示方式，由公式可以看出，增量式的表達結果和最

近三次的偏差有關，這樣就大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。需要注意的是生終的輸出

結果應該為

u(K)+增量調節(jié)值；

PID的離散化過程基本思路就是這樣，卜面是將離散化的公式轉換成為C語言，

從而實現(xiàn)微控制器的控制作用。

PID控制算法的C語言實現(xiàn)三位置型PID的C語言實

現(xiàn)

上一節(jié)中已經抽象出了位置性PID和增量型PID的數(shù)學表達式，這一節(jié)，

重點講解C語言代碼的實現(xiàn)過程，算法的C語言實現(xiàn)過程具有一般性，通過PID

算法的C語言實現(xiàn)，可以以此類推，設計其它算法的C語言實現(xiàn)。

第一步：定義P1D變量結構體，代碼如下：

struct_pid{

floatSetSpeed;〃定義設定值

floatActualSpeed;〃定義實際值

floaterr;//定義偏差值

floaterr_last;〃定義上一個偏差值

floatKp,Ki,Kd;〃定義比例、積分、微分系數(shù)

floatvoltage;〃定義電壓值（控制執(zhí)行器的變量）

floatintegral;〃定義積分值

}pid:

控制算法中所需要用到的參數(shù)在一個結構體中統(tǒng)?定義，方便后面的使用。

第二部：初始化變量，代碼如下：

voidPID_init0{

printf（*PID_initbegin\n"）;

pid.SetSpeed=O.0;

pid.ActualSpeed=O.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_initend\n〃）；

}"

統(tǒng)一初始化變量，尤其足Kp,Ki,Kd二個參數(shù)，調試過程當中，對于要求的控制

效果，可以通過調節(jié)這三個量直接進行調節(jié)。

第三步：編寫控制算法，代碼如下:

floatPIDrealize(floatspeed){

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-pi

d.errlast);

pid.err_last=pid.err;

pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;

returnpid.ActualSpeed;

)

注意：這里用了最基本的算法實現(xiàn)形式，沒有考慮死區(qū)問題，沒有設定上下限，

只是對公式的一種直接的實現(xiàn)，后面的介紹當中還會逐漸的對此改進。

到此為止，PID的基本實現(xiàn)部分就初步完成了。下面是測試代碼：

intmainO{

printf(^Systembegin\n〃)；

PIDJnitO；

intcount=0:

while(count<1000)

(

floatspeed=PID_realize(200.0);

printf(〃*f\n〃,speed);

count++;

}

return0;

}

下面是經過1000次的調節(jié)后輸出的1000個數(shù)據(具體的參數(shù)整定過程就不說明

了，網上這種說明非常多)：

83.00000159.88293681.32192999.222S08114.42586c127.335383138.297401

11.55500062.22500182.800304100.482601115.495564128.243715139.06S697

59.55967563.53725484.268909101.726572116.551897129.140691139.830352

28.17540865.52770785.713108102.955049117.595025130.026459140.582499

52.90742167.01105887.143455104.168125118.62511(130.901149141.325237

38.94415268,81061688.553005105.366066119.612331131.764909142.058701

51.89169970.35531889.946960106.549019120.64682€132.617870142.782985

46.14165172.04204091.322078107.717187121.638767133.460162143.498218

53.33905473,59565892.680996108.870756122.618307134.291912144.28509

51.50999875.20762094.022234110.009898123.585602135.113308144.901969

55.90815076.74544195.347186111.13-1811124.540812135.924419145.590726

55.94463178.30152696.655242112.245652125..18407J136.725382146.270813

58.97068079.81213697.947180113.342615126.41554￡137.516332146.942486

147.605718169.876198182.680475190.042233194.2748勿196.708363198.107481

148.260674170.252740182.896971190.166702191.346392196.749493198.131129

148.907425170.624605183.110768190.2896331W.417072196.790138198.154493

149.546109170.991799183.321881190.411007ISM.486854196.830267198.177566

150.176791171.354406183.530369190.530867194.555777196.869889198.200349

150.799612171.712487183.736239190.649236194.62382C196.909019198.222843

151.414626172.066080183.939545190.766119ISM.691027196.M7656198.245062

152.021959172.415265184.140301190.881544191.75739(196.985803198.267001

152.621696172.760077184.338555190.995531194.822912197.023493198.288662

153.213951173.100594184.534321191.108087194.88762f197.060701198.310059

153.798781173.436838184.727651191.219243194.951536197.097449198.331178

154.376315173.768895184.918558191.329005195.014632197.133733198.352049

154.946626174.096796185.107080191.437382195.07696E197.169558198.372645

155.509812174.420594185.293243191.544428195.138496197.204910198.392982

156.065958174.740352185.477080191.650111195.199272197.239872198.413066

156.615146175.056096185.658625191.754504195.25927(197.274378198.432911

157.157471175.367915185.837886191.857565195.318547197.308436198.452499

157.693012175.675818186.011930191.959350195.377061197.342089198.471846

158.221871175.979886186.189745192.059857195.43485(197.375309198,伽953

158.74409717C.280I3G18G,3c2382192.159119195.491916197.408125198.309819

159.259826176.576656186.532859192.257135195.548282197.440523198.528439

159.769078176.869444186.701207192.353919195.603915197.472520198,546842

160.271991177.158600186.867437192.449511195.65888f197.504n4198.565003

160.768585177.444121187.031605192.543890195.71314f197.535309198.582945

161.258996177.726087187.193713192.637105195.766734197.566127198.600648

161.743264178.004510187.353802192.729137195.819654197.596516198.618147

162.221494178.279458187.511884192.820032195.871912197.626594198.635415

162.693737178.550967187.667997192.909776195.923517197.656258198,652474

163.160075178.819094187.822151192.998410195.974472197.685546198.669313

163.620593179.083860187.974384193.085920196.024791197.714486198.685955

164.075347179.345315188.124700193.172360196.07447$197.743047198.702378

164.524422179.603504188.273148193.257700196.123555197.771265198.718611

164.967877179.858466188.419728193.341993196.172016197.799113198.731625

165.405795180.110241188.564488193.425214196.219855197.826629198.750448

165.838235180.358866188.707429193.507408196.2671IE197.853799198.766067

166.265257180.604388188.848592193.588568196.313776197.880631198.781497

166.686967180.846849188.987995193.668715196.359851197.907131198.796736

167.103377181.086262189.125644193.747847196.405366197.933284198.811776

167.514610181.322699189.261576193.82600-1196.45029f197.959122198.826628

167.920681181.556172189.395801193.903175196.494672197.984629198.841303

168.321682181.786733189.528364193.979391196.538492198.009823198.855788

168.717670182.014396189.659258191.054643196.581752198.031705198.870087

169.108719182.239222189.788528194.128963196.624494198.059275198.884218

169.494862182.461226189.916170194.202349196.66667E198.083520198.898162

198.911943199.374396199.640316199.793204199.881136199.931653199.960689

198.925538199.382228199.644808199.795787199.882615199.932509199.961191

198.938970199.389943199.649249199.798338199.8840%199.933353199.961665

198.952229199.397586199.653636199.800860199.885527199.934187199.962156

198.965320199.405110199.657959199.803343199.886971199.935002199.962619

198.978257199.412555199.662216199.805802199.888371199.935816199.963098

198.991033199.419891199.666457199.808225199.88978?199.936617199.9635-13

199.003643199.427152199.670635199.810624199.891142199.937420199.964014

199.016092199.434307199.674752199.812986199.8925If199.938195199.964448

199.028390199.441389199.678815199.815326199.89舞式199.938971199.964907

199.040542199.448363199.682833199.817642199.89518(199.939733199.965330

199.052536199.455264199.686798199.819915199.89648E199.940477199.965772

199.064373199.462073199.690715199.822175199.89778m199.1228199.966201

199.076067199.468802199.691583199.824388199.899057199.941961199.966625

199.087617199.475442199.698409199.826587199.900322199.942685199.967046

199.099019199.481995199.702177199.828755199.901562199.5M3392199.967458

199.110280199.488475199.705905199.830902199.902797199.944111199.967868

199.121107199.494857199.709582199.833006199.9040IC199.944804199.968263

199.132381199.501183199.713209199.835097199.905222199.945491199.968664

199.143240199.507104199.71G780199.837155199.90G392199.94G181199.9G9047

199.153940199.513578199.720339199.839194199.90757f199.946854199.969437

199.164511199.519639199.723826199.841210199.90872('199.947518199.969817

199.174957199.525656199.727276199.843191199.90987E199.948165199.970193

199.185270199.531579199.730690199.845168199.91098!:199.948824199.970565

199.195457199.537437199.734054199.847096199.91210(199.949456199,970943

199.205514199.543230199.737378199.849024199.913192199.950083199.971297

199.215440199.548936199.740657199.850905199.914287199.950714199.971668

199.225262199.554583199.743901199.852784199.915352199.951326199,972011

199.231930199.560149199.747111199.854621199.91642?199.951930199.972363

199.244503199.565647199.750260199.856449199.917452199.952532199.972712

199.253928199.571073199.753393199.858238199.9185俄199.953125199.973047

199.263275199.576136199.756474199.860016199.919527199.953714199.973388

199.272468199.581730199.759526199.861757199.92052€199.954290199.973726

199.281571199.586961199.762524199.863486199.921512199.954863199.974049

199.290541199.592118199.765490199.865199199.922496199.955424199.974379

199.299421199.597220199.768422199.866879199.923452199.955979199.971699

199.308165199.602260199.771314199.868549199.9244If199.956538199.975014

199.316815199.607218199.774169199.870186199.92534E199.957073199.975326

199.325345199.612132199.776992199.871813199.92627E199.957623199.975645

199.333789199.616974199.779775199.873419199.92719，199.958146199.975939

199.342115199.621764199.782527199.871997199.928105199.958671199.976249

199.350336199.626486199.785247199.876563199.929015199.959189199.976546

199.358462199.631156199.787938199.878109199.92990c199.959693199.976832

199.366479199.635757199.790590199.879620199.9307毆199.960203199.977125

199.977414199.986668199.992123199.995346199.9972伙199.998387199.998995

199.977688199.986846199.992214199.995416199.997294199.998416199.999003

199.977969199.987006199.992314199.995466199.99732E199.的8436199.999014

199.978247199.987169199.992412199.995536199.99736E199.998459199.999032

199.978525199.987321199.992503199.995593199.997402199.998488199.999034

199.978782199.987481199.992604199.995653199.997434199.998508199.999055

199.979061199.987633199.992701199.995713199.997474199.998537199.999063

199.979312199.987800199.992792199.995759199.997512199.998556199.999074

199.979576199.987948199.992878199.995811199.997542199.998585199.999092

199.979825199.988094199.992967199.995859199.99758?199.998590199.999094

199.980077199.988237199.993047199.995902199.997614199.998605199.999115

199.980335199.988386199.993136199.995960199.99761C199.998616199.999123

199.980569199.988526199.993216199.995999199.997662199.998634199.999135

199.980812199.988675199.993305199.996051199.99768S199.998642199.999152

199.981053199.988815199.993385199.996100199.997711199.998654199.999161

199.981300199.988y65199.993474199.996148199.9977仇199.998665199.999172

199.981522199.989090199.993554199.996191199.99776(199.998676199.999183

199.981755199.989231199.993637199.996249199.997785199.998694199.999201

199.981984199.989359199.993726199.9962881和.99780&199.998702199.999203

199.982210199.989491199.州380G199.99G340199.9978M199.998714199.999224

199.982427199.989629199.993881199.996389199.99785f199.998725199.999232

199.982648199.989757199.993952199.996438199.99788c199.998743199,999243

199.982860199.989889199.994024199.996480199.99790S199.998745199.999261

199.983080199.990012199.994101199.996538199.9979左199.998766199.999263

199.983298199.990133199.994170199.9965781和.99795f199.998774199,999284

199.983501199.990253199.994241199.996629199.997978199.d98785199.999292

199.983704199.990373199.994313199.996678199.998007199.998803199.999304

199.983914199.990493199.994391199.9967121的.998027199.998805199.999321

199.981114199.990614199.994459199.996746199.998042199.998826199.999323

199.984309199.990734199.994531199.996787199.99807J199.998834199.999Ml

199.984500199.990854199.994602199.9968241的.998O9E199.998845199.999352

199.984698199.990960199.994680199.996855199.998127199.&98863199.999364

199.984887199.991072199.994748199.996896199.998147199.998871199.999381

199.985079199.991180199.994805199.996927199.99817c199.998883199.999390

199.985262199.991289199.994868199.996967199.99819S199.998894199.999401

199.985442199.991398199.994928199.997005199.998216199.998905199.999412

199.985623199.991507199.994989199.997036199.998247199.998923199.999430

199.985803199.991616199.995049199.997076199.998267199.998931199.999432

199.985984199.991718199.995109199.997113199.99829f199.998943199.999453

199.986170199.991837199.995175199.997145199.998316199.&98954199.999461

199.986327199.991922199.995226199.997185199.99833S199.998972199.999473

199.986508199.992025199.995295199.997216199.998366199.998974

PID控制算法的C語言實現(xiàn)四增量型PID的C語言實

現(xiàn)

上一節(jié)中介紹了最簡單的位置型P1D的實現(xiàn)手段，這一節(jié)主要講解增量式

PID的實現(xiàn)方法，位置型和增量型PID的數(shù)學公式請參見我的系列文《PID控制

算法的C語言實現(xiàn)二》中的講解。實現(xiàn)過程仍然是分為定義變量、初始化變量、

實現(xiàn)控制算法函數(shù)、算法測試四個部分，詳細分類請參加《P1D控制算法的C語

言實現(xiàn)三》中的講解,這里直接給出代碼了。

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

struct_pid{

floatSetSpeed;〃定義設定值

floatActualSpeed;〃定義實際值

floaterr;〃定義偏差值

floaterrnext;〃定義上一個偏差值

floaterrlast;〃定義最上前的偏差值

floatKp,Ki,Kd;//定義比例、積分、微分系數(shù)

}pid;

voidPID_init(){

pid.SetSpeed=O.0;

pid.ActualSpeed=O.0;

pid.err=0.0;

pid.err_last=0.0;

pid.errnext=0.0;

pid.Kp=0.2;

pid.Ki=0.015;

pid.Kd=0.2;

)

floatPTDrealize(floatspeed){

pid.SetSpeed二speed;

pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActUcilSpeed;

float

incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.errnext)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(p

id.err-2*pid.errnext+pid.errlast);

pid.ActualSpeed+=incrementSpecd;

pid.errlast=pid.errnext;

pid.errnext=pid.err;

returnpid.ActualSpced;

)

intmain(){

PTD_init();

intcount=0;

while(count<1000)

(