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      電子發燒友網>控制/MCU> > 正文

      增量式PID算法的STM32實現 分析比例、積分、微分三個環節

      2021年09月13日 16:37 ? 次閱讀

      雖然PID不是什么牛逼的東西,但是真心希望以后剛剛接觸這塊的人能盡快進入狀態。特地分享一些自己如何實現的過程。
      首先說說增量式PID的公式,這個關系到MCU算法公式的書寫,實際上兩個公式的寫法是同一個公式變換來得,不同的是系數的差異。
      資料上比較多的是:
      ?

      ?

      還有一種的算法是:
      ?

      ?

      這里主要介紹第二種,具體會分析比例、積分、微分三個環節的作用。

      硬件部分:
      控制系統的控制對象是4個空心杯直流電機,電機帶光電編碼器,可以反饋轉速大小的波形。電機驅動模塊是普通的L298N模塊。
      芯片型號,STM32F103ZET6
      ?


      軟件部分:
      PWM輸出:TIM3,可以直接輸出4路不通占空比的PWM波
      PWM捕獲:STM32除了TIM6 TIM7其余的都有捕獲功能,使用TIM1 TIM2 TIM4 TIM5四個定時器捕獲四個反饋信號
      PID的采樣和處理:使用了基本定時器TIM6,溢出時間就是我的采樣周期,理論上T越小效果會越好,這里我取20ms,依據控制對象吧,如果控制水溫什么的采樣周期會是幾秒幾分鐘什么的。

      上面的PWM輸出和捕獲關于定時器的設置都有例程,我這里是這樣的:
      TIM3輸出四路PWM,在引腳 C 的 GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9輸出
      四路捕獲分別是TIM4??TIM1??TIM2??TIM5? ?,對應引腳是:??PB7 PE11 PB3 PA1
      高級定時器tim1的初始化略不同,它的中斷”名稱“和通用定時器不同。具體的內容,請大家看一下我分享的代碼就明白了。
      ?

      ?程序.zip?



      主要講解PID部分
      準備部分:先定義PID結構體:

      typedef struct 
      {
      int setpoint;//設定目標
      int sum_error;//誤差累計
      float proportion ;//比例常數
      float integral ;//積分常數
      float derivative;//微分常數
      int last_error;//e[-1]
      int prev_error;//e[-2]
      }PIDtypedef;

      復制代碼

      在文件中定義幾個關鍵變量:

      float??Kp =?  ??0.32??; //比例常數
      float??Ti =?  ?  ?  ?  ?   0.09 ; //積分時間常數
      float Td =?  ?  ?  ?  ?   0.0028 ;??//微分時間常數
      #define T?  ?  ?  ?  ?  ?  0.02 //采樣周期
      #define Ki?  ??Kp*(T/Ti)?  ?  ??// Kp Ki Kd 三個主要參數
      #define Kd?  ?  ?  ?  ?   Kp*(Td/T)

      復制代碼

      PID.H里面主要的幾個函數:

      void PIDperiodinit(u16 arr,u16 psc);?  ?  ??//PID 采樣定時器設定
      void incPIDinit(void);?  ?  ?  ?  ?   //初始化,參數清零清零
      int incPIDcalc(PIDtypedef*PIDx,u16 nextpoint);?  ?  ?  ??//PID計算
      void PID_setpoint(PIDtypedef*PIDx,u16 setvalue);??//設定 PID預期值
      void PID_set(float pp,float ii,float dd);//設定PID??kp ki kd三個參數
      void set_speed(float W1,float W2,float W3,float W4);//設定四個電機的目標轉速
      
      復制代碼


      PID處理過程:
      岔開一下:這里我控制的是電機的轉速w,實際上電機的反饋波形的頻率f、電機轉速w、控制信號PWM的占空比a三者是大致線性的正比的關系,這里強調這個的目的是
      因為樓主在前期一直搞不懂我控制的轉速怎么和TIM4輸出的PWM的占空比聯系起來,后來想清楚里面的聯系之后通過公式把各個系數算出來了。

      正題:控制流程是這樣的,首先我設定我需要的車速(對應四個輪子的轉速),然后PID就是開始響應了,它先采樣電機轉速,得到偏差值E,帶入PID計算公式,得到調整量也就是最終更改了PWM的占空比,不斷調節,直到轉速在穩態的一個小范圍上下浮動。
      上面講到的“得到調整量”就是增量PID的公式:

      int incPIDcalc(PIDtypedef *PIDx,u16 nextpoint)
      {
      int iError,iincpid;
      iError=PIDx->setpoint-nextpoint;??//當前誤差
      /*iincpid=?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ??//增量計算
      PIDx->proportion*iError?  ?  ?  ?  ?   //e[k]項
      -PIDx->integral*PIDx->last_error?  ?  ?   //e[k-1]
      +PIDx->derivative*PIDx->prev_error;//e[k-2]
      */
      iincpid=?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?   //增量計算
      PIDx->proportion*(iError-PIDx->last_error)
      +PIDx->integral*iError
      +PIDx->derivative*(iError-2*PIDx->last_error+PIDx->prev_error);
      
      PIDx->prev_error=PIDx->last_error; //存儲誤差,便于下次計算
      PIDx->last_error=iError;
      return(iincpid) ;
      }
      
      復制代碼
      
      注釋掉的是第一種寫法,沒注釋的是第二種以Kp KI kd為系數的寫法,實際結果是一樣的。
      處理過程放在了TIM6,溢出周期時間就是是PID里面采樣周期(區分于反饋信號的采樣,反饋信號采樣是1M的頻率)
      相關代碼:
      
      void TIM6_IRQHandler(void)?  ?  ??//?  ?  ??采樣時間到,中斷處理函數
      {?  ?  ?   
         ?  ? 
      if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)//更新中斷
         ?  ??{
         ?  ??frequency1=1000000/period_TIM4?  ?  ??; //通過捕獲的波形的周期算出頻率
         ?  ??frequency2=1000000/period_TIM1?  ?  ??;
         ?  ??frequency3=1000000/period_TIM2?  ?  ??;
         ?  ??frequency4=1000000/period_TIM5?  ?  ??;
      /********PID1處理**********/
         ?  ??PID1.sum_error+=(incPIDcalc(&PID1,frequency1));?  ?  ?  //計算增量并累加 
         ?   pwm1=PID1.sum_error*4.6875??;?  //pwm1 代表將要輸出PWM的占空比
         ?  ?   frequency1=0; //清零
         ??period_TIM4=0;
      /********PID2處理**********/
         ?  ?  PID2.sum_error+=(incPIDcalc(&PID2,frequency2));?  ?  ?  //計算增量并累加??Y=Y+Y'?  ?  ?  ?  ?   
         ?  ?  pwm2=PID2.sum_error*4.6875 ;?  //將要輸出PWM的占空比 
         ?  ??frequency2=0;
         ?  ??period_TIM1=0;
      /********PID3處理**********/
         ?  ?  PID3.sum_error+=(incPIDcalc(&PID3,frequency3));?  ?  ?   //常規PID控制
         ?  ??pwm3=PID3.sum_error*4.6875 ;?  //將要輸出PWM的占空比
         ?  ??frequency3=0;
         ?  ??period_TIM2=0;
      /********PID4處理**********/
         ?  ?  ?  PID4.sum_error+=(incPIDcalc(&PID4,frequency4));?  ?  ?  //計算增量并累加
         ?  ?  pwm4=PID4.sum_error*4.6875 ;?  //將要輸出PWM的占空比 
         ?  ??frequency4=0;
         ?  ??period_TIM5=0; 
         ?  ?   }
      
      TIM_SetCompare(pwm1,pwm2,pwm3,pwm4);?  ?  ?  ?   //重新設定PWM值
      
      TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update); //清除中斷標志位?  ?  ?  ?  ?   
      }
      
      復制代碼

      ?

      TIM_SetCompare ()函數:

      ?

      上面幾個代碼是PID實現的關鍵部分

      還有整定過程:
      辦法有不少,這里用的是先KP,再TI,再TD,在微調。其他的辦法特別是有個尼古拉斯法我發現不適合我這個控制對象。
      先Kp,就是消除積分和微分部分的影響,這里我糾結過到底是讓Ti 等于一個很大的值讓Ki=Kp*(T/Ti)里面的KI接近零,還是直接定義KI=0,TI=0.
      然后發現前者沒法找到KP使系統震蕩的臨界值,第二個辦法可以得到預期的效果:即KP大了會產生震蕩,小了會讓系統穩定下來,當然這個時候是有穩態誤差的。
      隨后把積分部分加進去,KI=Kp*(T/Ti)這個公式用起來,并且不斷調節TI 。TI太大系統穩定時間比較長。
      然后加上Kd? ?? ???=Kp*(Td/T),對于系統響應比較滯后的情況效果好像好一些,我這里的電機反映挺快的,所以Td值很小。
      最后就是幾個參數調節一下,讓波形好看一點。這里的波形實際反映的是采集回來的轉速值,用STM32的DAC功能輸出和轉速對應的電壓,用示波器采集的。
      最后的波形是這樣的:
      ?

      ?
      ?

      ?

      PID控制算法的C語言實現一 PID算法原理

      ?? 最近兩天在考慮一般控制算法的C語言實現問題,發現網絡上尚沒有一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。

      ?? 在工業應用中PID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算法的設計與實現過程,對于一般的研發人員來講,應該是足夠應對一般研發問題了,而難能可貴的是,在我所接觸的控制算法當中,PID控制算法又是最簡單,最能體現反饋思想的控制算法,可謂經典中的經典。經典的未必是復雜的,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、微分三個環節的加和。這里我們規定(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的控制規律為

      ?? 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,把控制環境具體一下:

      ?? 1.規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清楚:

      ?? 1.通過PID環節之后的 U(k) 是什么值呢?

      ? ?2.通過調節 PWM 的電壓占空比來調節電機的轉速。

      ?? 3.那么U(k)與控制電機的 PWM 之間存在怎樣的聯系呢?

      ?

      看到有不少人問到底如何讓UK值與PWM占空比值對應,進而實現占空比輸出和輸出控制電壓對應。

      (注意,我這里討論的前提是輸出控制的是電壓,不是PWM方波。PWM輸出后要經過濾波整形再輸出控制。)

      前提條件:

      輸出電壓控制電壓范圍是0-10V。

      給定、反饋、輸出電壓采樣輸入電壓范圍是0-5V(經過運放)。

      使用單片機AD為10位AD芯片。

      那么10位AD芯片電壓采集得到的數據范圍就是0-1024。

      PWM為 8位可調占空比方波,0對應輸出占空比為0的方波,255對應輸出占空比100%的方波,127對應輸出50%的方波。

      比如當前給定是2.5V,反饋電壓是1V。(KP,KI,KD等系數略,關于PID算法的整數實現我在前文中有論述如何實現)。

      那么經過AD采樣

      1、給定2.5V對應為 512

      2、反饋1V對應為 205

      假定經過PID計算得到的UK為400

      也就意味著輸出電壓應當為(400*(UPWM峰值電壓))/1024

      那么UK對應的PWM占空比是多少呢?

      我們知道,UK=1024對應占空比為100,也就是PWM的占空比系數為255??芍?,PWM系數 = UK/4;

      那么400就應當對應系數 400/4=100。

      也就是輸出電壓=400*10/1024=3.9V

      同時,由于采樣精度以及PWM輸出占空比精度控制的問題,將導致輸出電壓和期望值不是那么線性,所以,我在項目內加入了輸出電壓采樣的控制。

      采樣AD輸入為0-5V,所以,對于輸出0-10V有一個縮小的比例。

      輸出10V則采樣值對應為255

      輸出5V則采樣之對應127

      可知,3.9V對應AD結果為97

      采樣輸出電壓值,可以針對性的調整一下占空比輸出,從而得到誤差允許范圍內的一個控制輸出電壓。

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      發表于 2021-09-04 15:01? 98次閱讀
      國貨之光!這家芯片龍頭又攻克關鍵技術,將搶占新M...

      匯春科技:得心應手,自駕未來

      導讀 : 自動駕駛有多熱?據不完全統計,2021年1月至今,行業投融資事件已超50起,投融資金超70....
      發表于 2021-09-03 14:57? 2513次閱讀
      匯春科技:得心應手,自駕未來

      力合微推出首款物聯網MCU芯片

      力合微作為物聯網通信芯片領先企業,利用其多年來大規模出貨的電力線通信SoC芯片已經內含MCU所具有的....
      發表于 2021-09-03 11:47? 1292次閱讀
      力合微推出首款物聯網MCU芯片

      GD32以廣泛布局推進價值主張,為MCU生態加冕...

      金光一先生代表兆易創新在本次全球MCU生態發展大會上帶來的演講介紹了公司近年來取得的成績,未來新產品....
      發表于 2021-09-02 16:04? 1679次閱讀
      GD32以廣泛布局推進價值主張,為MCU生態加冕...

      瑞薩電子RA MCU集成micro-ROS框架,...

       瑞薩與eProsima攜手,推動機器人技術在工業和物聯網領域的應用,EK-RA6M5評估套件現已成....
      發表于 2021-09-02 15:57? 1236次閱讀
      瑞薩電子RA MCU集成micro-ROS框架,...

      兆易創新GD32廣泛布局驅動MCU創新

      2021年8月26日,由全球電子技術領域知名媒體Aspencore主辦的“全球MCU生態發展大會”暨....
      發表于 2021-09-02 15:41? 869次閱讀
      兆易創新GD32廣泛布局驅動MCU創新

      STM32與51單片機的區別與取舍之處

      分享本文,簡單分析STM32與51單片機的區別與取舍之處。 單片微型計算機簡稱單片機,簡單來說就是集....
      發表于 2021-09-02 15:17? 1198次閱讀
      STM32與51單片機的區別與取舍之處

      5個大主題方向的開發板項目開發

      華為天才少年—稚暉君,相信大家一定不陌生,作為技術宅UP主,他的自動駕駛自行車可謂是超級硬核!B站、....
      發表于 2021-09-02 14:58? 1891次閱讀
      5個大主題方向的開發板項目開發

      國產額姆休(MCU)這次要穩了

      最近,麥克瘋了想說的話題有很多,例如美國傳言要復供HW,汽車自動駕駛進入回調期,中國電信回歸A股股份....
      發表于 2021-09-02 14:19? 705次閱讀
      國產額姆休(MCU)這次要穩了

      算法題類型以及準備策略

      今天就和大家聊聊大公司的面試環節經常涉及的算法題類型以及準備策略。 問題難度首先大家比較關心的就是面....
      發表于 2021-09-02 10:50? 198次閱讀
      算法題類型以及準備策略

      AI落地盤古開天 跨越AI天塹時:行動代號“盤古...

      我采訪過一個案例,某工廠的IT負責人想要應用AI,咨詢之后卻發現開發成本過于高昂,人才、算力、算法等....
      發表于 2021-09-01 16:07? 824次閱讀
      AI落地盤古開天 跨越AI天塹時:行動代號“盤古...

      除了GD!這11個國產品牌也能替代STM32!

      眾所周知,GD是STM32國產替代最成功的一家公司。在2013年,GD選擇大熱的Cortex-M3作....
      發表于 2021-09-01 15:52? 169次閱讀
      除了GD!這11個國產品牌也能替代STM32!

      雄關漫道,十年靈動從頭越—— 2021靈動MM3...

      自2011年3月創立以來,靈動經歷了多個跨越,從MM32 MCU產品推出到客戶端量產,在過去的幾年時....
      發表于 2021-09-01 09:39? 465次閱讀
      雄關漫道,十年靈動從頭越—— 2021靈動MM3...

      【盤點】電子工程師最喜歡的國產MCU芯片!

      受缺芯危機影響,“國產替代”成了芯片行業的熱門關鍵詞。以最為緊缺的MCU芯片為切入點,我們挑選了一些....
      發表于 2021-08-30 18:20? 454次閱讀
      【盤點】電子工程師最喜歡的國產MCU芯片!

      通用型32位高性能低功耗微控制器介紹

      MCU又稱微處理器、微控制器或單片機,通過將CPU、存儲器等核心器件集成在一芯片上形成芯片級計算機,....
      發表于 2021-08-30 17:10? 318次閱讀
      通用型32位高性能低功耗微控制器介紹

      雅特力攜高性能AT32 MCU精彩亮相全球MCU...

      8月26日,由Aspencore主辦的全球MCU生態發展大會在深圳圣淘沙酒店圓滿落幕,本次會議以“把....
      發表于 2021-08-30 10:04? 1346次閱讀
      雅特力攜高性能AT32 MCU精彩亮相全球MCU...

      一文帶你快速讀懂支持向量機 SVM 算法

      簡介 支持向量機基本上是最好的有監督學習算法了。最開始接觸SVM是去年暑假的時候,老師要求交《統計學....
      發表于 2021-08-26 15:27? 194次閱讀
      一文帶你快速讀懂支持向量機 SVM 算法

      STM32的串口通信原理介紹

      介紹串口通信 按照數據傳送方向分類 單工:數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸 半雙工:允許數據在兩個....
      發表于 2021-08-26 09:23? 2098次閱讀
      STM32的串口通信原理介紹

      如何測量ARM Cortex-M MCU代碼的執...

      在許多實時應用中,如電機控制、發動機控制、無線通信等時間敏感的應用,CPU可能花費不到5%的時間執行....
      發表于 2021-08-26 09:20? 307次閱讀
      如何測量ARM Cortex-M MCU代碼的執...

      基于STM32的交流電壓、電流、功率和電量采集系...

      教程的源代碼鏈接:https://pan.baidu.com/s/1rx4tQ_7dYXMAbpy_....
      發表于 2021-08-25 15:31? 78次閱讀
      基于STM32的交流電壓、電流、功率和電量采集系...

      德州儀器推出全新高性能微控制器產品系列

      德州儀器 (TI) 推出全新高性能微控制器 (MCU) 產品系列,推動了邊緣端的實時控制、網絡互聯和....
      發表于 2021-08-25 14:33? 255次閱讀
      德州儀器推出全新高性能微控制器產品系列

      意法半導體的STM32U5通用MCU取得PSA ...

      意法半導體的STM32U585*通用安全MCU通過PSA 3級和SESIP[1]3安全認證,通過了邏....
      發表于 2021-08-25 14:13? 1249次閱讀
      意法半導體的STM32U5通用MCU取得PSA ...

      智能門鎖大有成為房屋標配的趨勢

      電子發燒友網報道(文/李寧遠)在全屋智能蔚然成風的發展形式下,智能門鎖作為近年來的爆款產品,被市場寄....
      發表于 2021-08-25 11:23? 237次閱讀
      智能門鎖大有成為房屋標配的趨勢

      高校宿舍惡性負載檢測系統設計方案

      用電管理問題一直是高校后勤管理的要點。本文在研究宿舍用電管理系統的惡性負載識別技術的基礎上,分析目前....
      發表于 2021-08-25 10:24? 55次閱讀
      高校宿舍惡性負載檢測系統設計方案
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