STM32基于流量传感器对步进电机转速进行PID闭环控制

1.什么是PID

PID控制是一种经典的控制算法，它被广泛应用于工业、机械、电子、自动化等领域中的控制系统中。PID控制是指通过对系统输出值与期望值之间的误差进行实时反馈，调节控制器的输出值，以达到控制系统稳定工作的目的。

PID控制算法由三个控制元素组成：比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）。比例控制用于直接根据误差大小来调节控制器输出，使输出与误差成比例关系；积分控制则用于累积误差，以降低误差累积导致的系统偏差；微分控制则用于预测误差变化趋势，以抑制系统的过冲现象。

PID控制算法的优点在于可以对系统误差进行实时反馈调整，同时具有简单易懂、易于实现的特点。然而，PID控制算法的缺点是它无法对非线性、时变、不确定性等问题进行很好的控制，需要根据实际控制情况进行调整和优化。

2.PID的实现

2.1 结构体定义

typedef struct {/* Controller gains */float Kp;float Ki;float Kd;/* Derivative low-pass filter time constant */float tau;/* Output limits */float limMin;float limMax;/* Integrator limits */float limMinInt;float limMaxInt;/* Sample time (in seconds) */float T;/* Controller "memory" */float integrator;float prevError;          /* Required for integrator */float differentiator;float prevMeasurement;        /* Required for differentiator *//* Controller output */float out;} PIDController;

2.2 PID函数实现

void vPIDControllerInit(PIDController *pid)
{/* Clear controller variables */pid->integrator = 0.0f;pid->prevError  = 0.0f;pid->differentiator  = 0.0f;pid->prevMeasurement = 0.0f;pid->out = 0.0f;
}float vPIDControllerUpdate(PIDController *pid, float setpoint, float measurement)
{/** Error signal*/float error = setpoint - measurement;/** Proportional*/float proportional = pid->Kp * error;/** Integral*/pid->integrator = pid->integrator + 0.5f * pid->Ki * pid->T * (error + pid->prevError);/* Anti-wind-up via integrator clamping */if (pid->integrator > pid->limMaxInt) {pid->integrator = pid->limMaxInt;} else if (pid->integrator < pid->limMinInt) {pid->integrator = pid->limMinInt;}/*Derivative (band-limited differentiator) */pid->differentiator = -(2.0f * pid->Kd * (measurement - pid->prevMeasurement)   /* Note: derivative on measurement, therefore minus sign in front of equation! */+ (2.0f * pid->tau - pid->T) * pid->differentiator)/ (2.0f * pid->tau + pid->T);/*Compute output and apply limits */pid->out = proportional + pid->integrator + pid->differentiator;if (pid->out > pid->limMax) {pid->out = pid->limMax;} else if (pid->out < pid->limMin) {pid->out = pid->limMin;}/* Store error and measurement for later use */pid->prevError       = error;pid->prevMeasurement = measurement;/* Return controller output */return pid->out;}

2.3 主线程调用

/* Controller parameters */
#define PID_KP                      (10.0f)
#define PID_KI                      (0.35f)
#define PID_KD                      (0)
#define PID_TAU                     (0.02f)
#define PID_LIM_MIN                 (10.0f)
#define PID_LIM_MAX                 (1000.0f)
#define PID_LIM_MIN_INT             (-500.0f)
#define PID_LIM_MAX_INT             (500.0f)
#define SAMPLE_TIME_S               (1.0f)PIDController pid；void main(void)
{for(;;){if(HAL_GetTick()-uiTick >= 1*1000)//每隔一秒，对应上面的SAMPLE_TIME_S{float flow = vGetSystemFLow();//这里是获取流量传感器的读数 vPIDControllerUpdate(&pid,5.0, fFlow);   vTMC5160Rotate((uint16_t)pid.out,CCW);//根据PID的计算结果设定步进电机转速}}
}

3.总结

对于惯量较大的闭环控制系统，需要特别注意PID参数的调节。以下是一些可能有用的步骤：

确定系统的开环传递函数，也就是没有控制器时输入信号到输出信号的传递函数。这可以通过实验或建模得到。
选择合适的控制器类型，比如PID控制器。PID控制器有三个参数：比例增益Kp，积分时间Ti和微分时间Td。
首先尝试根据经验法则调节控制器参数。例如，对于惯量较大的系统，可以先将Kp设定为一个较小的值，逐渐增加到满意的水平，以避免产生过大的振荡。然后逐步增加Ti以提高系统的稳定性，最后再考虑Td以改善响应速度。
进行实验，评估控制器性能。可以通过观察系统响应曲线、计算系统性能指标（如稳态误差、超调量、调整时间等）来评估控制器性能，并根据需要调整控制器参数。
可以使用现代控制技术，例如自适应控制或模型预测控制，来进一步优化控制器性能。
如果系统过于复杂或难以建模，可以考虑使用智能控制技术，例如模糊控制或神经网络控制，来设计控制器。这些方法可能需要更多的试验和调整。

总之，调节PID控制器参数需要经验和实验结合，以满足系统要求并优化性能。

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