arduino 版 PID 算法模板（程序可直接套模板实用）

在介绍程序之前，简单介绍一些PID。所谓PID指比例、积分、微分控制的总成。PID控制是一种闭环控制，又是用得最广的控制。一方面，PID控制是一种模糊控制，不需要知道系统的状态空间表达式，仅仅需要调整kp,ki，kd的数值，以达到期望的效果。
   PID中的比例控制，代表了系统的快速性，kp越大，响应越快，但是会导致超调增大，又会导致系统震荡。反之，系统响应太慢。ki指的是积分控制，代表了系统的准确性。ki的加入，大大抑制了稳态误差。自然这个数也不能太大，否则有毛刺。至于kd微分控制，表征系统对未来的预判，在延迟较严重下应用，一般不推荐，会导致系统震荡。
   在本例中，采用PID调节来控制BOOST电路电压。BOOST电路采用经典的LC以及绝缘栅场效应管结构。通过分压电阻引入反馈电压，作为PID控制的反馈量。而控制量，是MOS管的通断时间，也就是占空比。BOOST电压与占空比成正比，因此可以通过调整占空比来调整电压。
   本例中修改宏定义“SETVOLTAGE”来设置BOOST输出电压，最高可设置30V,这是理论上的，没试过。输入电压为开发板上的5V接口。在本例中，将5v电压升至18V。
   MCU为ATMEGA328，采用定时器1产生PWM，此定时器是10位的，因此精度较高。采用定时器2溢出中断作为PID积分的步长参考。
   本例之所以为通用PID算法，是因为在本例中，只需要修改函数PIDCtl_Scan（uint16 feedback）中引用的Set_PWM(tPID->s16PIDCtr)子程序以及该子程序的参数uint16 feedback来移植到其他闭环控制系统中，非常方便。其中feedback为反馈量，tPID->s16PIDCtr为控制量，为PID算法计算得出的当前控制量。控制量可以是多样的，占空比，电流，电压等。
   算法采用查询方式，需要多次调用。在程序前定义了PID的参数，调整这里的kp,ki以及步长。还有输入量范围，输出量范围即可。

本例设置BOOST电压为18V ,可以看到，当控制器工作时，如图所示，电压从5v升到18V,并保持稳定。设置其他电压也是如此。PID控制简单介绍到这里，感兴趣的详细看例程。本例程仅供学习参考，不得用于其他用途。

/****************************************************************************
//程序可以直接使用，实际工程中与原系统不符，与本人无关，可付费提供技术支持。
// 原创 : 速浪电子（WEIXIN:haveaseat）

// 设计日期 : 2017-12-25
// 功能描述 : PID通用控制示例（Atmega328系列)
以通过PWM控制BOOST电路电压为例
// 说明:
单片机： ATMEGA328P-PU
晶振：片外16Mhz石英晶振
工作频率： 16Mhz
注：外置分压电阻为1/6
//========================用到的接口===========================
// 9 PWM端口（PB1）
// A0 ADC0 （PD0）
// 5V BOOST电路输入电压
********************************************************************************/

#include <Arduino.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define SETVOLTAGE 18 //设置电压为12V
// 数据类型
typedef signed char sint08;
typedef unsigned char uint08;
typedef signed int sint16;
typedef unsigned int uint16;
typedef unsigned long uint32;
typedef signed long sint32;
//全局变量
uint16 u16RTICnt; //定时器计数
// ----------------------------------------------------------------------------
typedef struct { // 定时器，单位ms
uint16 u16TimeStrt; // 启动时刻
uint16 u16TimeNow1; // 当前时刻
uint16 u16Duration; // 间隔时间(ms)
} TMyTimer_ms;

typedef struct { // PID
sint08 s08PIDDir; // 1:正向；-1:反向
sint16 s16InpMax, s16InpMin; // 输入量的最大/最小值，用于输入的归一化计算
sint16 s16OutMax, s16OutMin; // 控制量的最大/最小值，用于输出限幅
sint16 s16PIDCmd; // 归一化的命令值，范围为0 ~ 1023
sint16 s16PIDAcq; // 归一化的实际值，范围为0 ~ 1023
sint32 s32PIDCtr; // PID(的放大了256倍)的上一次控制量
sint16 s16PIDCtr; // PID的控制量
sint16 s16PID_E0, s16PID_E1;//, s16PID_E2; // 本次误差, 上次误差，上上次误差
uint16 u16PID_Kp, u16PID_Ki;//, u16PID_Kd; // PID参数
TMyTimer_ms tTimer_ms; // PID定时器 uint16 u16Timer2;
} TParaPID;
//全局变量设置
TParaPID tPIDMotor;
const TParaPID CstParaPID = {
1, // sint08 s08PIDDir; // 1:正向；-1:反向
512, 307, // sint16 s16InpMax, s16InpMin; // 输入量的最大/最小值，用于输入的归一化计算
1023 ,0 , // sint16 s16OutMax, s16OutMin; // 控制量的最大/最小值，用于输出限幅
0 , // sint16 s16PIDCmd; // 归一化的命令值，范围为0 ~ 1023
0 , // sint16 s16PIDAcq; // 归一化的实际值，范围为0 ~ 1023
0 , // sint32 s32PIDCtr; // PID(的放大了256倍)的上一次控制量
0 , // sint16 s16PIDCtr; // PID的控制量
0 , 0 , // sint16 s16PID_E0, s16PID_E1;//, s16PID_E2; // 本次误差, 上次误差，上上次误差
4 ,40 , // uint16 u16PID_Kp, u16PID_Ki;//, u16PID_Kd; // PID参数

{ // TMyTimer_ms tTimer_ms; // PID定时器, PID控制间隔(ms)
0 , // uint16 u16TimeStrt; // 启动时刻
0 , // uint16 u16TimeNow1; // 当前时刻
10 , // uint08 u16Duration; // 间隔时间10ms
}
};
// ----------------------------------------------------------------------------
void MyTimerStart(TMyTimer_ms *ptMyTime, uint16 u16Duration){ // 初始化定时器
ptMyTime->u16TimeNow1 = u16RTICnt; // 当前时刻
ptMyTime->u16TimeStrt = ptMyTime->u16TimeNow1; // 启动时刻
ptMyTime->u16Duration = u16Duration; // 间隔时间(ms)
}
// ----------------------------------------------------------------------------
uint08 MyTimerQuery(TMyTimer_ms *ptMyTime){ // 时间到了返回1，否则返回0
ptMyTime->u16TimeNow1 = u16RTICnt;
if(ptMyTime->u16TimeNow1 - ptMyTime->u16TimeStrt < ptMyTime->u16Duration) return 0;
ptMyTime->u16TimeStrt = ptMyTime->u16TimeNow1;
return 1;
}
// ----------------------------------------------------------------------------
void InitPID(TParaPID *tpPID01){ // 初始化PID参数
(void)memcpy(tpPID01, &CstParaPID, sizeof(TParaPID));
MyTimerStart(&tpPID01->tTimer_ms, tpPID01->tTimer_ms.u16Duration); // 初始化定时器, 主要用于初始化当前时间

}
// ----------------------------------------------------------------------------
uint16 PID_Sub1(TParaPID *tpPID, sint16 s16V01){ // 归一化计算，返回佱范围为0 ~ 1023
uint32 u32Tmp1;

if(tpPID->s16InpMax <= tpPID->s16InpMin) return 0;
if(s16V01 > tpPID->s16InpMax){
s16V01 = tpPID->s16InpMax;
} else if(s16V01 < tpPID->s16InpMin){
s16V01 = tpPID->s16InpMin;
}

u32Tmp1 = s16V01 - tpPID->s16InpMin;
u32Tmp1 = u32Tmp1 * 1023;
u32Tmp1 = u32Tmp1 / (tpPID->s16InpMax - tpPID->s16InpMin);
return (uint16)u32Tmp1;
}
// ----------------------------------------------------------------------------
void PID_Cal(TParaPID *tpPID){ // 计算PID控制量，只使用了PI控制
sint32 s32Tmp1, s32Tmp2;

//tpPID->s16PID_E2 = tpPID->s16PID_E1; // 上上次误差
tpPID->s16PID_E1 = tpPID->s16PID_E0; // 上次误差
tpPID->s16PID_E0 = (tpPID->s16PIDCmd - tpPID->s16PIDAcq) // 本次误差，命令值与实测值的差
* tpPID->s08PIDDir; // 计算误差的方向
s32Tmp1 = ((sint32)tpPID->u16PID_Kp)
* ((sint32)(tpPID->s16PID_E0 - tpPID->s16PID_E1)); // 比例增量
s32Tmp2 = ((sint32)tpPID->u16PID_Ki) * ((sint32)tpPID->s16PID_E0); // 积分增量

tpPID->s32PIDCtr = tpPID->s32PIDCtr + s32Tmp1 + s32Tmp2; // 控制量

s32Tmp1 = ((sint32)tpPID->s16OutMax) << 16; // 控制量的最大值
s32Tmp2 = ((sint32)tpPID->s16OutMin) << 16; // 控制量的最小值
if (tpPID->s32PIDCtr > s32Tmp1){ tpPID->s32PIDCtr = s32Tmp1;
} else if(tpPID->s32PIDCtr < s32Tmp2){ tpPID->s32PIDCtr = s32Tmp2;
}

tpPID->s16PIDCtr = (sint16)(tpPID->s32PIDCtr >> 16); // PID的控制量,只取整数 return (sint16)(tpPID->s32PIDCtr >> 16); // 只取整数
}
// ----------------------------------------------------------------------------
void MyPIDMotorSet(TParaPID *ptPID03, sint16 s16P1){ // 电机的PID控制, 输入要求的值，不需要反复调用
ptPID03->s16PIDCmd = PID_Sub1(ptPID03, s16P1); // 归一化计算，归一化的命令值，返回范围为0 ~ 1023
}
// ----------------------------------------------------------------------------
uint08 MyPIDMotorCtr(TParaPID *ptPID03, sint16 s16P2){ // 电机的PID控制, 输入实际的值，需要反复调用，这是控制过程
if(MyTimerQuery(&ptPID03->tTimer_ms) == 0) return 0; // 时间到了返回1，否则返回0
ptPID03->s16PIDAcq = PID_Sub1(ptPID03, s16P2); // 归一化计算，返回范围为0 ~ 1023

PID_Cal(ptPID03); // 计算PID控制量，只使用了PI控制

return 1;
}

//--------------------------------------------------------------------------
//设置PWM占空比
void Set_PWM(uint16 Duty)
{
OCR1A=Duty;
}
//--------------------------------------------------------------------------
//PID控制，查询形式，多次访问
void PIDCtl_Scan(uint16 feedback)
{
TParaPID *tPID=&tPIDMotor;
if(MyPIDMotorCtr(tPID, feedback) == 1)
// PID控制, 输入实际的值，需要反复调用，这是控制过程
Set_PWM(tPID->s16PIDCtr); // PID的控制量,此处为占空比

}
//------------------------------------------------------------
//初始化定时器2
void Init_Timer2(void)
{
TCCR2A = 0x00; //正常模式
TCCR2B = 0x04; //预分频器64分频，每次计数4us
TIMSK2 |=(1<<TOIE2); //溢出中断使能，溢出时间1.024ms
}

//------------------------------------------------------------
//初始化PWM,定时器1,16位定时器
void Init_PWM(void)
{
TCCR1A = (1<<COM1A1)|(1<<WGM11)|(1<<WGM10);
TCCR1B = (1<<WGM12)|(1<<CS11); //快速PWM，预分频器8分频
TCNT1 = 400; //计数top值，5kHz
OCR1A = 200 ; //计数200，占空比50%
//OCR1B = 150 ; //计数150，占空比50%
}

uint16 u16val;
//--------------------------------------------------------
void setup() {
TParaPID *tPID=&tPIDMotor;
pinMode(A0, INPUT); // A0 为ADC输入
DDRB|=0x02; // 9端口输出

InitPID(tPID); // 初始化PID参数
Init_PWM(); // 初始化PWM
Init_Timer2(); //初始化定时器
u16val=SETVOLTAGE*1024/30; //6分之一分压
MyPIDMotorSet(tPID, u16val); // 电机的PID控制, 输入要求的值，不需要反复调用
SREG = 0x80; //I位全局中断使能，page10
// Serial.begin(19200);
}

//------------------------------------------------------------
void loop()
{
u16val=analogRead(A0); //读取ADC值，作为电压反馈值
//Serial.println(u16val);
PIDCtl_Scan(u16val);
}
//-----------------------------------
//中断服务程序
ISR(TIMER2_OVF_vect)
{
TIFR2|=0x01; //TIFR0_OCF0A=1,A中断标计位清零，page113
u16RTICnt++;
}
//------------------------------------------------------------------
//This is END.

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