【PID】控制原理与程序实现详解

目录

1.PID基本原理

2.离散PID和程序实现思路

3.PID程序实现框架

设置调控周期T是三种方法：

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1.PID基本原理

如果被控对象是电机，则目标值是转速，输出值是PWM，实际值电机通过编码器测速返回的速度值；

从公式可以清楚地看见PID是基于误差调控的算法

比例项：

Kp表示调节力度，太小系统响应慢，太大系统超调严重，甚至自激振荡

不能单单通过Kp消除稳态误差

只有比例项控制时

1.假设电机没有摩擦，目标速度=期望速度

2.此时误差为0，Kp为0，输出为0，即给电机的驱动力为0，电机匀速旋转

3.但是电机必然由于摩擦力减速，产生误差

4.误差越大，比例项输出越大，电机驱动力度越大

5.电机驱动力和摩擦力平衡，电机不再减速，误差不再增大，驱动力不再增大，系统达到稳态

电机在运转时会受到摩擦、机械负载等因素的影响，这时候要让电机保持某个速度，就需要持续的输出力来抵消这些阻力。如果比例控制产生的控制量刚好等于维持当前速度所需的力，那么系统就会稳定下来，不再改变速度。

积分项：

微分项：

容易超调和来回振荡的被控对象可以加入D（微分项）

2.离散PID和程序实现思路

位置式PID与增量式PID公式

位置式PID是离散式PID的基本格式，位置式PID适合大部分场景：调温，调速，位置控制，姿态控制等。

增量式PID只和本次，上次，上上次的误差有关。

3.PID程序实现框架

确定一个调控周期T，每隔时间T，程序执行一次PID调控；

调控周期T的长短要根据被控对象和传感器或者其他情况而定，电机，飞行器，平衡车这些就要调控快一点，但是也不可以无限快，比如MPU6050是5ms采集一次数据，T是1ms没有意义。

设置调控周期T是三种方法：

    

优点：代码简单，适合只需要PID调控的项目使用；

弊端：一直在while循环会造成程序阻塞，Delay延时也不准确；

使用定时器的中断实现T

优点：T准确，不阻塞main函数，有利于多个功能互不干扰地运行；

弊端：要注意硬件资源访问冲突问题，即同一个硬件不能在main函数中读取数据，又在中断中读取数据，这样会造成资源访问冲突；

程序较复杂的时候可以使用这种方法，添加一个标志位，中断只是置位flag；

避免了硬件资源访问冲突的问题；

弊端：main函数不能阻塞，否则会造成PID调控无法及时执行；

位置式PID程序实现：

增量式PID程序实现（控制器内积分，输出全量）

注：控制器内积分是对输出进行积分

旋转编码器：使用AD实现，配置好ADC相关参数，开启ADC，等待ADC采集完成，读取ADC的返回值；