飞思卡尔小车PID控制的通俗理解..doc

很多同学都不清楚PID是个什么东西,因为很多不是自动化的学生。他们开口就要资料,要程序。这是明显的学习方法不对,起码,首先,你要理解PID是个什么东西。
本文以通俗的理解,以小车纵向控制举例说明PID的一些理解。
首先,为什么要做PID?由于外界原因,小车的实际速度有时不稳定,这是其一,要让小车以最快的时间达达到既定的目标速度,这是其二。速度控制系统是闭环,才能满足整个系统的稳定要求,必竟速度是系统参数之一,这是其三.
小车调速肯定不是线性的,外界因素那么多,没人能证明是线性的。如果是线性的,直接用P就可以了。比如在PWM=60%时,速度是2M/S,那么你要它3M/S,就把PWM提高到90%。因为90/60=3/2,这样一来太完美了。完美是不可能的。
那么不是线性的,要怎么怎么控制PWM使速度达到即定的速度呢?即要快,又要准,又要狠。(即快准狠系统这个速度的调整过程就必须通过某个算法调整,一般PID就是这个所用的算法。
可能你会想到,如果通过编码器测得现在的速度是2.0m/s,要达到2.3m/s的速度,那么我把pwm增大一点不就行了吗?是的,增大pwm多少呢?必须要通过算法,因为PWM 和速度是个什么关系,对于整个系统来说,谁也不知道。要一点一点的试,加个1%,不够,再加1%还是不够,那么第三次你还会加1%吗?很有可能就加2%了。通过PID三个参数得到一个表达式:△PWMa *△V1+b *△V2+c *△V3,a b c是通过PID的那个长长的公式展开,然后约简后的数字,△V1 ,△V2 ,△V3 此前第一次调整后的速度差,第二次调整后的速度差,第三次。。。。。一句话,PID要使当前速度达到目标速度最快,需要建立如何调整pwm和速度之间的关系。
输入输出是什么:
输入就是前次速度,前前次速度,前前前次速度。
输出就是你的PWM应该增加或减小多少。
为了避免教科书公式化的说明,本文用口语化和通俗的语言描述。虽然不一定恰当,但意思差不多,就是那个事。如果要彻头彻尾地弄PID,建议多调试,写几个仿真程序。
PID一般有两种:位置式PID和增量式PID。在小车里一般用增量式,为什么呢?位置式PID的输出与过去的所有状态有关,计算时要对e(每一次的控制误差进行累加,这个计算量非常大,而明没有必要。而且小车的PID控制器的输出并不是绝对数值,而是一个△,代表增多少,减多少。换句话说,通过增量PID算法,每次输出是PWM要增加多少或者减小多少,而不是PWM的实际值。
下面均以增量式PID说明。
这里再说一下P、I、D三个参数的作用。P=Proportion,比例的意
思,I是Integral,积分,D是Differential微分。
打个比方,如果现在的输出是1,目标输出是100,那么P的作用是以最快的速度达到100,把P理解为一个系数即可而I呢?大家学过高数的,0的积分才能是一个常数,I就是使误差为0而起调和作用;D呢?大家都知道微分是求导数,导数代表切线是吧,切线的方向就是最快到至高点的方向。这样理解,最快获得最优解,那么微分就是加快调节过程的作用了。
公式本来需要推导的,我就不来这一套了。直接贴出来:

看看最后的结果:
△Uk=A*e(k+B*e(k-1+C*e(k-2
这里KP是P的值,TD是D的值,1/Ti是I的值,都是常数,哦,还有一个T,T是采样周期,也是已知。而A B C是由P I D换算
来的,按这个公式,就可以简化计算量了,因为P I D是常数,那么A B C可以用一个宏表示。这样看来,只需要求e(k e(k-1 e(k-2就可以知道△Uk的值了,按照△Uk来调节PWM的大小就OK了。PID三个参数的确定有很多方法,不在本文讨论范围内。
采样周期也是有据可依的,不能太大,也不能太小。
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PID实际编程的过程的,要注意的东西还是有几点的。PID这东西可以做得很深。
1 PID的诊定。凑试法,临界比例法,经验法。
2 T的确定,采样周期应远小于过程的扰动信号的周期,在小车程序中一般是ms级别。
3 目标速度何时赋值问题,如何更新新的目标速度?这个问题一般的人都乎略了。目标速度肯定不是个恒定的,那么何时改变目标速度呢?
4 改变了目标速度,那么e(k e(k-1 e(k-2怎么改变呢?是赋0还是要怎么变?
5 是不是PID要一直开着?
6 error为多少时就可以当速度已达到目标?
7 PID的优先级怎么处理,如果和图像采集有冲突怎么办?
8 PID的输入是速度,输出是PWM,按理说PWM产生速度,但二者不是同一个东西,有没有问题?
9 PID计算如何优化其速度?指针,汇编,移位?都可以试!
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//定义PID结构体
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typedef struct PID
{
int SetPoint; //设定目标Desired V alue
double Proportion; //比例常数Proportional Const
double Integral; //积分常数Integral Const
double Derivative; //微分常数Derivative Const
int LastError; //Error[-1]
int PrevError; //Error[-2]
} PID;
//**
//定义相关宏
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#define P_DA TA 100
#define I_DA TA0.6
#define D_DA TA 1
//*****************************************************
//声明PID实体
//*************************************************** static PID sPID;
static PID *sptr = &sPID;
//*****************************************************
//PID参数初始化
//***************************************************** void IncPIDInit(void
{
sptr->LastError = 0; //Error[-1]
sptr->PrevError = 0; //Error[-2]
sptr->Proportion = P_DA TA; //比例常数Proportional Const
sptr->Integral = I_DA TA; //积分常数Integral Const
sptr->Derivative = D_DA TA; //微分常数Derivative Const
sptr->SetPoint =100; 目标是100
}
//*****************************************************
//增量式PID控制设计
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int IncPIDCalc(int NextPoint
{
int iError, iIncpid; //当前误差
iError = sptr->SetPoint - NextPoint; //增量计算
iIncpid = sptr->Proportion * iError //E[k]项
- sptr->Integral * sptr->LastError //E[k-1]项
+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; //E[k-2]项sptr->PrevError = sptr->LastError; //存储误差,用于下次计算sptr->LastError = iError;
return(iIncpid; //返回增量值
}
Int g_CurrentV elocity;
Int g_Flag;
void main(void
{
DisableInterrupt
InitMCu(;
IncPIDInit(;
g_CurrentV elocity=0; //全局变量也初始化
g_Flag=0; //全局变量也初始化EnableInterrupt;
While(1
{
{
PWMOUT+= IncPIDCalc(CurrentV elocity;
g_Flag&=~ HA VE_NEW_VELOCITY; }
}
}
//****************************************
//采样周期T
//**************************************** Interrrupt TIME void
{
CurrentV elocity =GetCurrentV elocity;
g_Flag|= HA VE_NEW_VELOCITY;
}