前面我們發佈了一系列PID控制器相關的文章，包括經典PID控制器以及參數自適應的PID控制器。這一系列PID控制器雖說實現了主要功能，也在實際使用中取得了良好效果，但還有很多的細節部分可以改進以提高性能和靈活性。所以在這篇中我們來討論改進PID控制器以實現動態調整參數的目的。
1、提出問題
在我們一開始開發PID控制器時，我們主要是關注於其算法的實現而沒有過多的關心其使用過程。但在我們的使用過程中發現有些不夠靈活的地方。
在原有的PID控制器中，設定值是通過在外部給PID對象的參數賦值實現的，雖然說並不影響使用，但我們若想對PID控制器中的參數設定值進行某些處理就不是很方便了。而在原有的PID控制器中，輸出值在外部是不可見的，只能通過PID對象查看且不可更改。這些使得對這些參數的操作顯得不夠靈活。
而且在原有的PID控制器中3個調節參數也不能在外部隨時調整，這顯然不符合很多應用的需要，因爲PID參數的調整是很常見的工作。所以在這篇中我們來考慮實現這些參數的動態調整。
2、分析設計
爲了使得PID控制器使用起來更爲靈活，我們需要將PID對象作必要的改動。關於PID對象我們考慮將測量值、設定值、輸出值作爲對象的屬性。但我們不是直接將這幾個變量作爲對象屬性，因爲這樣達不到我們從外部靈活操作的目的，我們將幾個指向浮點變量的指針作爲對象的屬性，而初始化後這幾個指針將指向我們的測量值、設定值、輸出值變量。
同樣的三個PID參數我們想要在外部修改它，我們也將其在外部定義爲變量，而在PID對象中定義爲指向這三個變量的浮點數指針。在對對象進行初始化時，我們將變量地址賦值給這幾個指針。據此我們定義PID對象類型爲：
/*定義結構體和公用體*/
typedef struct CLASSIC
{
float *pPV; //測量值指針
float *pSV; //設定值指針
float *pMV; //輸出值指針
float *pKp; //比例係數指針
float *pKi; //積分系數指針
float *pKd; //微分系數指針
float setpoint; //設定值
float lasterror; //前一拍偏差
float preerror; //前兩拍偏差
float deadband; //死區
float result; //PID控制器計算結果
float output; //輸出值0-100%
float maximum; //輸出值上限
float minimum; //輸出值下限
float errorabsmax; //偏差絕對值最大值
float errorabsmin; //偏差絕對值最小值
float alpha; //不完全微分系數
float deltadiff; //微分增量
float integralValue; //積分累計量
float gama; //微分先行濾波係數
float lastPv; //上一拍的過程測量值
float lastDeltaPv; //上一拍的過程測量值增量
}CLASSICPID;
3、軟件實現
我們計劃將PID參數和過程變量改成指向浮點型變量的指針，那麼代碼上需要做哪些修改呢？需要修改的主要是兩個函數：PID調節函數和PID對象初始化函數。
首先，我們來看一看PID對象的初始化函數。我們知道將這些變量修改爲指向浮點變量法的指針後，我們就必須在初始化時指定具體的變量地址，否則指向的將是不可預知的位置。所以我們修改初始化函數如下：
/* PID初始化操作,需在對vPID對象的值進行修改前完成 */
void PIDParaInitialization(CLASSICPID *vPID, //PID控制器對象
float *pPV, //測量值指針
float *pSV, //設定值指針
float *pMV, //輸出值指針
float *pKp, //比例係數指針
float *pKi, //積分系數指針
float *pKd, //微分系數指針
float vMax, //控制變量量程
float vMin, //控制變量的零點
)
{
if((vPID==NULL)||(pPV==NULL)||(pSV==NULL)||(pMV==NULL)||(pKp==NULL)||(pKi==NULL)||(pKd==NULL))
{
return;
}
vPID->pPV=pPV;
vPID->pSV=pSV;
vPID->pMV=pMV;
vPID->pKp=pKp;
vPID->pKi=pKi;
vPID->pKd=pKd;
vPID->maximum=vMax; /*輸出值上限*/
vPID->minimum=vMin; /*輸出值下限*/
vPID->setpoint=*pPV; /*設定值*/
vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/
vPID->preerror=0.0; /*前兩拍偏差*/
vPID->result=vMin; /*PID控制器結果*/
vPID->output=0.0; /*輸出值，百分比*/
vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8;
vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2;
vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.0005; /*死區*/
vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系數*/
vPID->deltadiff=0.0; /*微分增量*/
vPID->integralValue=0.0;
vPID->mode=mode;
}
其次，我們還需要修改PID調節函數。在原來的PID調節器中過程值是作爲函數的參數輸入的，而且PID參數是作爲變量存在於對象內部的，所以要針對這兩個方面做相應的修改：
/* 通用PID控制器,採用增量型算法，具有變積分，梯形積分和抗積分飽和功能，微分項採用不完全微分，一階濾波，alpha值越大濾波作用越強 */
void PIDRegulator(CLASSICPID *vPID)
{
float thisError;
float result;
float factor;
float increment;
float pError,dError,iError;
vPID->setpoint=*vPID->pSV;
thisError=vPID->setpoint-(*vPID->pPV); //得到偏差值
result=vPID->result;
if (fabs(thisError)>vPID->deadband)
{
pError=thisError-vPID->lasterror;
iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0;
dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
//變積分系數獲取
factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin);
//計算微分項增量帶不完全微分
vPID->deltadiff=(*vPID->pKd)*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff;
increment=(*vPID->pKp)*pError+(*vPID->pKi)*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量計算
}
else
{
if((fabs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(fabs((*vPID->pPV)-vPID->minimum)<vPID->deadband))
{
result=vPID->minimum;
}
increment=0.0;
}
result=result+increment;
/*對輸出限值，避免超調和積分飽和問題*/
if(result>=vPID->maximum)
{
result=vPID->maximum;
}
if(result<=vPID->minimum)
{
result=vPID->minimum;
}
vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用於下次運算
vPID->lasterror=thisError;
vPID->result=result;
vPID->output=(vPID->result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum)*100.0;
*vPID->pMV=vPID->output;
}
}
4、總結
我們將PID參數和過程變量都改爲了對象所包含的指針，這樣當我們從上位機或者其他進程修改變量的值時，也同步修改了PID對象中的值。測試的結果比原來的方式操作更爲方便。
歡迎關注：
