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程序代码篇---PID简介

news 2025/7/23 7:36:39

P：比例

含义：输出量的大小与输入误差信号大小成比例关系的一种（类似一元一次函数）控制

结果：将输出量稳定在目标值附近

弊端：存在残差（仅仅使用比例控制无法将残差消除到零）

简单介绍：

P调节也可以叫做偏差调节，通过与目标之间的偏差控制大小

注意实际应用中需要乘以比例参数KP，原因：实际应用中输入和输出的单位有时差很多

I：积分

含义：输出量的大小与输入误差信号的积分值成比例关系的一种控制

结果：消除残差

简单介绍：

I调节也可以叫做累计偏差调节，一直达不到目标（由于部分原因导致系统存在影响目标结果的输出，及可能存在静态偏差），这个时候考虑利用偏差，及将所有偏差累积起来乘以比例系数KI，注意比例系数尽量取小（正因为小，所有偏差累加起来就会变大，但不至于过大），消除静态误差

D：微分

含义：输出量的大小与输入误差信号的微分值成比例关系的一种控制
结果：在系统稳定后，如果存在干扰信号，使系统在最短的时间内回到稳定状态。

简单介绍：

D调节也可以叫做近期偏差调节。

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相比PID的闭环控制，还存在没有反馈（一股脑向着目标冲击）的开环控制。

PID的衍生：串级PID、前馈PID

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无PID控制：

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>// 定义温度传感器和加热器控制引脚
#define ONE_WIRE_BUS 4    // DS18B20温度传感器连接的GPIO引脚
#define HEATER_PIN 5      // 加热器控制引脚(连接继电器模块)// 温度控制参数
#define TARGET_TEMP 33.0  // 目标温度: 33摄氏度
#define HYSTERESIS 0.5    // 滞后值，防止继电器频繁切换// 初始化OneWire和DallasTemperature库
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);float currentTemp = 0.0;   // 当前温度
bool heaterState = false;  // 加热器状态void setup() {// 初始化串口通信Serial.begin(115200);// 初始化温度传感器sensors.begin();// 初始化加热器控制引脚pinMode(HEATER_PIN, OUTPUT);digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);  // 初始关闭加热器Serial.println("温度控制系统启动中...");Serial.print("目标温度: ");Serial.print(TARGET_TEMP);Serial.println(" °C");
}void loop() {// 读取温度currentTemp = readTemperature();// 打印当前温度Serial.print("当前温度: ");Serial.print(currentTemp);Serial.println(" °C");// 温度控制逻辑temperatureControl();// 每2秒读取一次温度delay(2000);
}// 读取温度传感器数据
float readTemperature() {sensors.requestTemperatures();  // 发送温度转换命令return sensors.getTempCByIndex(0);  // 获取第一个传感器的温度(摄氏度)
}// 温度控制逻辑
void temperatureControl() {// 如果当前温度低于目标温度减去滞后值，打开加热器if (currentTemp < (TARGET_TEMP - HYSTERESIS) && !heaterState) {digitalWrite(HEATER_PIN, HIGH);heaterState = true;Serial.println("加热器已开启");}// 如果当前温度高于目标温度，关闭加热器else if (currentTemp > TARGET_TEMP && heaterState) {digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);heaterState = false;Serial.println("加热器已关闭");}
}

代码说明：

硬件需求：
- ESP32 开发板
- DS18B20 温度传感器
- 继电器模块（用于控制加热器）
- 加热器设备
工作原理：
- 使用 DS18B20 数字温度传感器采集温度数据
- 通过继电器模块控制加热器的开关状态
- 采用带滞后的开关控制策略，避免继电器频繁切换
控制逻辑：
- 当温度低于 32.5°C（33°C - 0.5°C）时，开启加热器
- 当温度达到或超过 33°C 时，关闭加热器
- 0.5°C 的滞后值用于防止继电器在目标温度附近频繁开关
引脚定义：
- DS18B20 连接到 GPIO4
- 继电器模块连接到 GPIO5
- 可根据实际接线情况修改引脚定义

使用时，确保已安装 OneWire 和 DallasTemperature 库，这两个库可以通过 Arduino 库管理器搜索安装。根据实际硬件连接情况，可能需要调整引脚定义。

有PID控制：

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <PID_v1.h>// 定义引脚
#define ONE_WIRE_BUS 4    // DS18B20温度传感器连接的GPIO引脚
#define HEATER_PIN 5      // 加热器控制引脚(连接继电器)// 温度控制参数
#define TARGET_TEMP 33.0  // 目标温度: 33摄氏度
#define CONTROL_PERIOD 5000  // 控制周期(毫秒)，例如5秒// 初始化传感器
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);// PID参数
double Setpoint, Input, Output;
// 根据实际系统调整这些参数
double Kp = 50.0, Ki = 0.2, Kd = 10.0;// 创建PID对象
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);float currentTemp = 0.0;
unsigned long periodStartTime = 0;
bool heaterState = false;
unsigned long heaterOnTime = 0;void setup() {Serial.begin(115200);// 初始化传感器sensors.begin();// 初始化加热器引脚pinMode(HEATER_PIN, OUTPUT);digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);// PID初始化Setpoint = TARGET_TEMP;myPID.SetOutputLimits(0, 100);  // 输出限制在0-100%(占空比)myPID.SetMode(AUTOMATIC);periodStartTime = millis();Serial.println("开关型加热器PID温度控制系统启动");Serial.print("目标温度: ");Serial.print(TARGET_TEMP);Serial.println(" °C");Serial.print("控制周期: ");Serial.print(CONTROL_PERIOD/1000);Serial.println(" 秒");
}void loop() {unsigned long currentMillis = millis();// 读取温度(每1秒读取一次)static unsigned long lastReadTime = 0;if (currentMillis - lastReadTime >= 1000) {lastReadTime = currentMillis;currentTemp = readTemperature();Input = currentTemp;myPID.Compute();  // 计算PID输出}// 控制周期内的加热器控制unsigned long elapsedTime = currentMillis - periodStartTime;// 计算本周期内应该开启的时间(毫秒)heaterOnTime = (Output / 100.0) * CONTROL_PERIOD;// 控制逻辑if (elapsedTime < heaterOnTime && !heaterState) {// 需要开启加热器digitalWrite(HEATER_PIN, HIGH);heaterState = true;} else if (elapsedTime >= heaterOnTime && heaterState) {// 需要关闭加热器digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);heaterState = false;}// 控制周期结束，重置计时if (elapsedTime >= CONTROL_PERIOD) {periodStartTime = currentMillis;printStatus();  // 打印本周期状态}
}// 读取温度传感器数据
float readTemperature() {sensors.requestTemperatures();return sensors.getTempCByIndex(0);
}// 打印状态信息
void printStatus() {Serial.print("当前温度: ");Serial.print(currentTemp);Serial.print(" °C, 目标: ");Serial.print(Setpoint);Serial.print(" °C, 输出占空比: ");Serial.print(Output);Serial.print("%, 加热时间: ");Serial.print(heaterOnTime/1000.0);Serial.println(" 秒");
}

代码说明：

工作原理：
- 采用固定控制周期（例如 5 秒），在每个周期内根据 PID 计算的输出值决定加热器开启的时间比例
- 例如，若 PID 输出为 60%，控制周期为 5 秒，则加热器在本周期内开启 3 秒，关闭 2 秒
- 通过这种方式，实现了对加热功率的近似比例控制
参数调整建议：
- CONTROL_PERIOD：控制周期，太短会导致继电器频繁动作，太长会导致控制精度下降，建议 5-10 秒
- Kp：比例系数，初始可设为 50，根据响应调整
- Ki：积分系数，初始可设为 0.1-0.5
- Kd：微分系数，初始可设为 5-20
调试方法：
- 先将系统加热到接近目标温度
- 观察温度曲线，若震荡严重则减小 Kp
- 若温度稳定后与目标有偏差则增大 Ki
- 若响应太慢可适当增大 Kp 或减小 Kd

这种控制方式兼顾了开关型加热器的特性和 PID 控制的优势，既能避免继电器过于频繁地切换，又能实现比简单开关控制更精确的温度调节。

核心算法解析

PID 控制公式：
代码中实现的核心公式是：
```
输出 = Kp×误差 + Ki×∫误差dt - Kd×(输入变化率)
```
其中用输入变化率代替了误差变化率，这是为了避免设定值突变时产生的微分冲击。
关键技术点：
- 积分限幅：防止积分项累积过大导致的 "积分饱和" 现象
- 输出限幅：确保输出在执行器的有效范围内
- 时间处理：自动计算采样周期，适应不同调用频率
- 方向控制：支持正作用和反作用控制，适应不同类型系统
使用流程：
- 创建 PID 对象并指定输入、输出、设定值指针
- 设置 PID 参数 (Kp, Ki, Kd)
- 设置输出范围和控制方向
- 切换到自动模式
- 定期调用 Compute () 方法进行计算