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PID控制算法的C语言实现(完整版).doc
PID控制算法的C语言实现一 PID算法原理
PID控制算法的C语言实现二 PID算法的离散化
PID控制算法的C语言实现三 位置型PID的C语言实现
PID控制算法的C语言实现四 增量型PID的C语言实现
PID控制算法的C语言实现五 积分分离的PID控制算法C语言实现
PID控制算法的C语言实现六 抗积分饱和的PID控制算法C语言实现
PID控制算法的C语言实现七 梯形积分的PID控制算法C语言实现
PID控制算法的C语言实现八 变积分的PID控制算法C语言实现
PID控制算法的C语言实现九 专家PID与模糊PID的C语言实现
PID控制算法的C语言实现十 模糊算法简介
PID控制算法的c语言实现十一（PID系列完结篇） 模糊PID的参数整定
直流电机PWM调速系统中控制电压非线性研究
附录3
PID 控制算法的 C 语言实现一 PID 算法原理
最近两天在考虑一般控制算法的 C 语言实现问题，发现网络上尚没有一套
完整的比较体系的讲解。于是总结了几天，整理一套思路分享给大家。
在工业应用中 PID 及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的
万能算法，如果能够熟练掌握 PID 算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员
来讲，应该是足够应对一般研发问题了，而难能可贵的是，在我所接触的控制算
法当中，PID 控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中
的经典。经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的，而且是最简单的，想
想牛顿的力学三大定律吧，想想爱因斯坦的质能方程吧，何等的简单！简单的不
是原始的，简单的也不是落后的，简单到了美的程度。先看看 PID 算法的一般形
式：
PID 的流程简单到了不能再简单的程度，通过误差信号控制被控量，而控
制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。这里我们规定（在 t 时刻）：
1.输入量为 rin(t);
2.输出量为 rout(t);
3.偏差量为 err(t)=rin(t)-rout(t);
pid 的控制规律为
理解一下这个公式，主要从下面几个问题着手，为了便于理解，把控制环
境具体一下：
1.规定这个流程是用来为直流电机调速的;
2.输入量 rin(t)为电机转速预定值;
3.输出量 rout(t)为电机转速实际值;
4.执行器为直流电机;
5.传感器为光电码盘，假设码盘为 10 线;
6.直流电机采用 PWM 调速 转速用单位 转/min 表示;
不难看出以下结论：
1.输入量 rin（t）为电机转速预定值（转/min）;
2. 输出量 rout(t)为电机转速实际值（转/min）;
3.偏差量为预定值和实际值之差（转/min）;
那么以下几个问题需要弄清楚：
1.通过 PID 环节之后的 U(t)是什么值呢？
2.控制执行器（直流电机）转动转速应该为电压值（也就是 PWM 占空比）。
3.那么 U(t)与 PWM 之间存在怎样的联系呢？
http://blog.21ic.com/user1/3407/archives/2006/33541.html（见附录 1）这
篇文章上给出了一种方法，即，每个电压对应一个转速，电压和转速之间呈现线
性关系。但是我考虑这种方法的前提是把/直流电机的特性理解为线性了，而实
际情况下，直流电机的特性绝对不是线性的，或者说在局部上是趋于线性的，这
就是为什么说 PID 调速有个范围的问题。具体看一下
http://articles.e-works.net.cn/component/article90249.html（见附录 2）
这篇文章就可以了解了。所以在正式进行调速设计之前，需要现有开环系统，测
试电机和转速之间的特性曲线（或者查阅电机的资料说明），然后再进行闭环参
数整定。这篇先写到这，下一篇说明连续系统的离散化问题。并根据离散化后的
特点讲述位置型 PID 和增量型 PID 的用法和 C 语言实现过程。
PID 控制算法的 C 语言实现二 PID 算法的离散化
上一节中，我论述了 PID 算法的基本形式，并对其控制过程的实现有了一
个简要的说明，通过上一节的总结，基本已经可以明白 PID 控制的过程。这一节
中先继续上一节内容补充说明一下。
1.说明一下反馈控制的原理，通过上一节的框图不难看出，PID 控制其实
是对偏差的控制过程;
2.如果偏差为 0,则比例环节不起作用，只有存在偏差时，比例环节才起作
用。
3.积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设
定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程，把累计的误差加到原有
系统上以抵消系统造成的静差。
4.而微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏
差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。
好了，关于 PID 的基本说明就补充到这里，下面将对 PID 连续系统离散化，
从而方便在处理器上实现。下面把连续状态的公式再贴一下：
假设采样间隔为 T，则在第 K T 时刻：
偏差 err(K)=rin(K)-rout(K);
积分环节用加和的形式表示，即 err(K)+err(K+1)+……;
微分环节用斜率的形式表示，即[err(K)-err(K-1)]/T;
从而形成如下 PID 离散表示形式：
则 u(K)可表示成为：
至于说 Kp、Ki、Kd 三个参数的具体表达式，我想可以轻松的推出了，这里节省
时间，不再详细表示了。
其实到这里为止，PID 的基本离散表示形式已经出来了。目前的这种表述形式属
于位置型 PID，另外一种表述方式为增量式 PID，由 U 上述表达式可以轻易得到：
那么：
这就是离散化 PID 的增量式表示方式，由公式可以看出，增量式的表达结果和最
近三次的偏差有关，这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出
结果应该为
u(K)+增量调节值;
PID 的离散化过程基本思路就是这样，下面是将离散化的公式转换成为 C 语言，
从而实现微控制器的控制作用。
PID 控制算法的 C 语言实现三 位置型 PID 的 C 语言实
现
上一节中已经抽象出了位置性 PID 和增量型 PID 的数学表达式，这一节，
重点讲解 C 语言代码的实现过程，算法的 C 语言实现过程具有一般性，通过 PID
算法的 C 语言实现，可以以此类推，设计其它算法的 C 语言实现。
第一步：定义 PID 变量结构体，代码如下：
struct _pid{
float SetSpeed;
float ActualSpeed;
float err;
float err_last;
float Kp,Ki,Kd;
float voltage;
float integral;
}pid;
//定义设定值
//定义实际值
//定义偏差值
//定义上一个偏差值
//定义比例、积分、微分系数
//定义电压值（控制执行器的变量）
//定义积分值
控制算法中所需要用到的参数在一个结构体中统一定义，方便后面的使用。
第二部：初始化变量，代码如下：
void PID_init(){
printf("PID_init begin \n");
pid.SetSpeed=0.0;
pid.ActualSpeed=0.0;
pid.err=0.0;
pid.err_last=0.0;
pid.voltage=0.0;
pid.integral=0.0;
pid.Kp=0.2;
pid.Ki=0.015;
pid.Kd=0.2;
printf("PID_init end \n");
}
统一初始化变量，尤其是 Kp,Ki,Kd 三个参数，调试过程当中，对于要求的控制
效果，可以通过调节这三个量直接进行调节。
第三步：编写控制算法，代码如下：
float PID_realize(float speed){
pid.SetSpeed=speed;
pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
pid.integral+=pid.err;
pid.voltage=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err
-pid.err_last);
pid.err_last=pid.err;
pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;
return pid.ActualSpeed;
}
注意：这里用了最基本的算法实现形式，没有考虑死区问题，没有设定上下限，
只是对公式的一种直接的实现，后面的介绍当中还会逐渐的对此改进。
到此为止，PID 的基本实现部分就初步完成了。下面是测试代码：
int main(){
printf("System begin \n");
PID_init();
int count=0;
while(count<1000)
{
float speed=PID_realize(200.0);
printf("%f\n",speed);
count++;
}
return 0;
}
下面是经过 1000 次的调节后输出的 1000 个数据（具体的参数整定过程就不说明
了，网上这种说明非常多）：
83.000001
59.882936
81.321929
99.222808
114.425860
127.335383
138.297401
11.555000
62.225001
82.800304
100.482601
115.495564
128.243715
139.068697
59.559675
63.537254
84.268909
101.726572
116.551897
129.140691
139.830352
28.175408
65.527707
85.713108
102.955049
117.595029
130.026459
140.582499
52.907421
67.011058
87.143455
104.168125
118.625116
130.901149
141.325237
38.944152
68.810646
88.553005
105.366066
119.642331
131.764909
142.058701
51.891699
70.355318
89.946960
106.549019
120.646826
132.617870
142.782985
46.141651
72.042040
91.322078
107.717187
121.638767
133.460162
143.498218
53.339054
73.595658
92.680996
108.870756
122.618307
134.291942
144.204509
51.509998
75.207620
94.022234
110.009898
123.585603
135.113308
144.901969
55.908450
76.745444
95.347186
111.134811
124.540813
135.924419
145.590726
55.944631
78.301526
96.655242
112.245652
125.484079
136.725382
146.270843
58.970680
79.812136
97.947180
113.342615
126.415549
137.516332
146.942486
147.605718
169.876198
182.680475
190.042233
194.274828
196.708363
198.107481
148.260674
170.252740
182.896971
190.166702
194.346393
196.749493
198.131129
148.907425
170.624605
183.110768
190.289633
194.417073
196.790138
198.154493
149.546109
170.991799
183.321881
190.411007
194.486854
196.830267
198.177566
150.176794
171.354406
183.530369
190.530867
194.555777
196.869889
198.200349
150.799612
171.712487
183.736239
190.649236
194.623820
196.909019
198.222843
151.414626
172.066080
183.939545
190.766119
194.691027
196.947656
198.245062
152.021959
172.415265
184.140301
190.881544
194.757390
196.985803
198.267001
152.621696
172.760077
184.338555
190.995531
194.822919
197.023493
198.288662
153.213951
173.100594
184.534321
191.108087
194.887626
197.060701
198.310059
153.798781
173.436838
184.727651
191.219243
194.951536
197.097449
198.331178
154.376315
173.768895
184.918558
191.329005
195.014633
197.133733
198.352049
154.946626
174.096796
185.107080
191.437382
195.076965
197.169558
198.372645
155.509812
174.420594
185.293243
191.544428
195.138496
197.204940
198.392982
156.065958
174.740352
185.477080
191.650111
195.199273
197.239872
198.413066
156.615146
175.056096
185.658625
191.754504
195.259270
197.274378
198.432911
157.157471
175.367915
185.837886
191.857565
195.318547
197.308436
198.452499
157.693012
175.675818
186.014930
191.959350
195.377060
197.342089
198.471846
158.221871
175.979886
186.189745
192.059857
195.434856
197.375309
198.490953
158.744097
176.280136
186.362382
192.159119
195.491918
197.408125
198.509819
159.259826
176.576656
186.532859
192.257135
195.548283
197.440523
198.528439
159.769078
176.869444
186.701207
192.353919
195.603919
197.472520
198.546842
160.271991
177.158600
186.867437
192.449511
195.658886
197.504114
198.565003
160.768588
177.444121
187.031605
192.543890
195.713145
197.535309
198.582945
161.258996
177.726087
187.193713
192.637105
195.766734
197.566127
198.600648
161.743264
178.004510
187.353802
192.729137
195.819654
197.596546
198.618147
162.221494
178.279458
187.511884
192.820032
195.871912
197.626594
198.635415
162.693737
178.550967
187.667997
192.909776
195.923517
197.656258
198.652474
163.160075
178.819094
187.822151
192.998410
195.974472
197.685546
198.669313
163.620593
179.083860
187.974384
193.085920
196.024791
197.714486
198.685955
164.075347
179.345315
188.124700
193.172360
196.074478
197.743047
198.702378
164.524422
179.603504
188.273148
193.257700
196.123558
197.771265
198.718611
164.967877
179.858466
188.419728
193.341993
196.172016
197.799113
198.734625
165.405795
180.110241
188.564488
193.425214
196.219859
197.826629
198.750448
165.838235
180.358866
188.707429
193.507408
196.267115
197.853799
198.766067
166.265257
180.604388
188.848592
193.588568
196.313778
197.880631
198.781497
166.686967
180.846849
188.987995
193.668715
196.359851
197.907131
198.796736
167.103377
181.086262
189.125644
193.747847
196.405363
197.933284
198.811776
167.514610
181.322699
189.261576
193.826004
196.450296
197.959122
198.826628
167.920681
181.556172
189.395801
193.903175
196.494672
197.984629
198.841303
168.321682
181.786733
189.528364
193.979391
196.538492
198.009823
198.855788
168.717670
182.014396
189.659258
194.054643
196.581753
198.034705
198.870087
169.108719
182.239222
189.788528
194.128963
196.624494
198.059275
198.884218
169.494862
182.461226
189.916170
194.202349
196.666678
198.083520
198.898162
198.911943
199.374396
199.640316
199.793204
199.881136
199.931653
199.960689
198.925538
199.382228
199.644808
199.795787
199.882613
199.932509
199.961191
198.938970
199.389943
199.649249
199.798338
199.884088
199.933353
199.961665
198.952229
199.397586
199.653636
199.800860
199.885527
199.934187
199.962156
198.965320
199.405110
199.657959
199.803343
199.886971
199.935002
199.962619
198.978257
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199.662246
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