位置式、增量式PID算法C语言实现

芯片：STM32F107VC

编译器：KEIL4

作者：SY

日期：2017-9-21 15:29:19

概述

PID 算法是一种工控领域常见的控制算法，用于闭环反馈控制。有以下两种分类：

  • 增量式

    每次周期性计算出的 PID 为增量值，是在上一次控制量的基础上进行的调整。

  • 位置式

    每次周期性计算出的 PID 为绝对的数值，是执行机构实际的位置。

我们使用高级语言的思想去实现两种 PID ，做到对于用户来说，调用相同的接口，内部实现不同的 PID 算法。

代码

pid.h

 enum PID_MODE {

     PID_INC = ,    //增量式

     PID_POS,        //位置式

 };

 struct PID {

     enum PID_MODE mode;

     float kp;                   //比例系数

     float ki;                   //积分系数

     float kd;                   //微分系数

     double targetPoint;         //目标点

     double lastError;           //Error[-1]

     double prevError;           //Error[-2]

     void (*init)(struct PID *this, double targetPoint);         //PID初始化

     double (*outputLimit)(struct PID *this, double output);     //PID输出限制

     void (*setParameter)(struct PID *this, \

         float kp, float ki, float kd);                          //设置PID参数

     double (*calculate)(struct PID *this, double samplePoint);  //计算PID

 };

 /* 增量式PID */

 struct PID_INC {

     struct PID pid;

 };

 /* 位置式PID */

 struct PID_POS {

     struct PID pid;

     double iSum;                //积分和

 };

其中 struct PID 就是我们提供给用户的接口，可以理解为 抽象类 ，增量式和位置式 PID 都去继承该抽象类，然后实现其中的抽象方法。

对于位置式 PID 拥有自己的成员 iSum 。

pid.c

 /*

 *********************************************************************************************************

 *                                           PID

 *********************************************************************************************************

 */

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_Init

 * Description   : PID初始化

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static void PID_Init(struct PID *this, double targetPoint)

 {

     this->targetPoint = targetPoint;

     this->lastError = ;

     this->prevError = ;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_OutputLimit

 * Description   : PID输出限制

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static double PID_OutputLimit(struct PID *this, double output)

 {

     if (output < ) {

         output = ;

     } else if (output > DIGITAL_THROTTLE_VALVE_MAX_DEGREE) {

         output = DIGITAL_THROTTLE_VALVE_MAX_DEGREE;

     }

     return output;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_SetParameter

 * Description   : PID设置参数

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static void PID_SetParameter(struct PID *this, float kp, float ki, float kd)

 {

     this->kp = kp;

     this->ki = ki;

     this->kd = kd;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_SetTargetValue

 * Description   : PID设置目标值

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 void PID_SetTargetValue(struct PID *this, double targetPoint)

 {

     this->targetPoint = targetPoint;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_GetTargetValue

 * Description   : PID获取目标值

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 double PID_GetTargetValue(struct PID *this)

 {

     return this->targetPoint;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 *                                           增量式PID

 *********************************************************************************************************

 */

 static double PID_IncCalculate(struct PID *this, double samplePoint);

 struct PID_INC g_PID_Inc = {

     .pid = {

         .mode           = PID_INC,

         .init           = PID_Init,

         .outputLimit    = PID_OutputLimit,

         .setParameter   = PID_SetParameter,

         .calculate      = PID_IncCalculate,

     },

 };

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_IncCalculate

 * Description   : 增量式PID计算

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static double PID_IncCalculate(struct PID *this, double samplePoint)

 {

     double nowError = this->targetPoint - samplePoint;

     double out = this->kp * nowError +\

                  this->ki * this->lastError +\

                  this->kd * this->prevError;

     this->prevError = this->lastError;

     this->lastError = nowError;

     if (this->outputLimit) {

         out = this->outputLimit(this, out);

     }

     return out;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 *                                           位置式PID

 *********************************************************************************************************

 */

 static double PID_PosCalculate(struct PID *this, double samplePoint);

 static void PID_PosInit(struct PID *this, double targetPoint);

 struct PID_POS g_PID_Pos = {

     .pid = {

         .mode           = PID_POS,

         .init           = PID_PosInit,

         .outputLimit    = PID_OutputLimit,

         .setParameter   = PID_SetParameter,

         .calculate      = PID_PosCalculate,

     },

 };

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_PosInit

 * Description   : 位置式PID初始化

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static void PID_PosInit(struct PID *this, double targetPoint)

 {

     PID_Init(this, targetPoint);

     struct PID_POS *pid_Handle = (struct PID_POS *)this;

     pid_Handle->iSum = ;

 }

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : PID_PosCalculate

 * Description   : 位置式PID计算

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 static double PID_PosCalculate(struct PID *this, double samplePoint)

 {

     struct PID_POS *pid_Handle = (struct PID_POS *)this;

     double nowError = this->targetPoint - samplePoint;

     this->lastError = nowError;

     //积分累计误差

     pid_Handle->iSum += nowError;

     double out = this->kp * nowError +\

                  this->ki * pid_Handle->iSum +\

                  this->kd * (nowError - this->prevError);

     this->prevError = nowError;

     if (this->outputLimit) {

         out = this->outputLimit(this, out);

     }

     return out;

 }

对于上述内容：最关键的是两个变量 struct PID_INC g_PID_Inc 和 struct PID_POS g_PID_Pos ，他们针对抽象类实现了各自的算法。

其中有一个很重要的小技巧，举例：

 static double PID_PosCalculate(struct PID *this, double samplePoint)

 {

     struct PID_POS *pid_Handle = (struct PID_POS *)this;

 }

该函数的接口是 struct PID *this ，但是我们内部将他强制转换为 struct PID_POS *pid_Handle ，这是两种不同的数据类型，为什么可以进行转换呢？而且转换后的数据是正确的？

因为对于 C 语言来说，结构体内部的第一个成员的地址和该结构体变量的地址是一样的，所以可以相互转换，实现向下转型，这就是 C 语言的强大之处。

测试

app.c

 struct KernelCtrl {

     struct DTV dtv;

     struct PID *dtvPid;

 };

 static struct KernelCtrl g_kernelCtrl;

 /*

 *********************************************************************************************************

 * Function Name : Kernel_Ctrl_Init

 * Description   : 内核控制初始化

 * Input         : None

 * Output        : None

 * Return        : None

 *********************************************************************************************************

 */

 void Kernel_Ctrl_Init(void)

 {

 #if 1

     /* 增量式 */

     g_kernelCtrl.dtvPid = &g_PID_Inc.pid;

 #else

     /* 位置式 */

     g_kernelCtrl.dtvPid = &g_PID_Pos.pid;

 #endif

 }

只要在初始化时，指定使用哪一种 PID 模式，在调用时两种方式可以使用同一个接口，这样对于用户来说就屏蔽了内部细节。

参考

Pid控制算法-变积分的pid算法的C++实现

【来源】

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