前面我們發布了一系列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，我們主要是關注于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，雖然說并不影響使用，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，因為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

為了使得PID控制器使用起來更為靈活，我們需要將PID對象作必要的改動。關于PID對象我們考慮將測量值、設定值、輸出值作為對象的屬性。但我們不是直接將這幾個變量作為對象屬性，因為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為對象的屬性，而初始化后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為變量，而在PID對象中定義為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對象類型為：

/*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;?????????????????? //比例系數指針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;?????????????????? //微分先行濾波系數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，那么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為指向浮點變量法的指針后，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,????????? //比例系數指針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為函數的參數輸入的，而且PID參數是作為變量存在于對象內部的，所以要針對這兩個方面做相應的修改：

/* 通用PID控制器,采用增量型算法，具有變積分，梯形積分和抗積分飽和功能，微分項采用不完全微分，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;? //存放偏差用于下次運算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為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為方便。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的PID控制器改进笔记之一：改进PID控制器之参数动态调整的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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