PID恒温控制

本文主要是介绍PID恒温控制，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. PID三个环节的作用

PID三个环节各自的主要作用和效应：

比例环节：起主要控制作用，使控制量向目标值靠拢，但可能导致振荡
积分环节：消除稳态误差，但会增加超调量
微分环节：产生阻尼效果，抑制振荡和超调，但会降低响应速度

2. 比例系数与积分时间的大小对曲线的影响关系

在这里插入图片描述

1. 比例环节
成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
        P参数越大比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际y(t)值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。
        优点:调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。
        缺点:仅用P控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使系统稳定裕度变小，甚至不稳定。

2. 积分环节
控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。
　　对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”，而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。
　　优点：消除稳态误差。
　　缺点：积分控制器的加入会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。

3. 微分环节
反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
　　自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PD控制只在动态过程中才起作用，对恒定稳态情况起阻断作用。因此，微分控制在任何情况下都不能单独使用。
　　优点：使系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻，对动态过程有“预测”作用。
　　在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。

3.代码程序

//定义PID结构体用于存放一个PID的数据
typedef struct{float kp,ki,kd;//三个系数float error,lastError;//误差、上次误差float integral,maxIntegral;//积分值、积分限幅值float output,maxOutput;//PWM输出值、PWM输出限幅值
}PID;//初始化pid参数
void PID_Init(PID *pid,float p,float i,float d,float maxI,float maxOut){pid.kp=p;pid.ki=i;pid.kd=d;pid.maxIntegral=maxI;pid.maxOutput=maxOut;
}//进行一次pid计算（每次调用间隔一段时间）
//参数为(pid结构体,目标值,反馈值)，计算结果放在pid结构体的output成员中
void PID_Calc(PID *pid,float reference,float feedback){//更新数据pid.lastError = pid.error;          //保存上次误差pid.error     = reference-feedback; //计算新误差//计算比例float pout = pid.error * pid.kp;//计算微分float dout = (pid.error - pid.lastError) * pid.kd;//计算积分pid.integral += pid.error * pid.ki;//积分限幅（大于限幅值，则赋值限幅值）（小于负的限幅值，则赋值负的积分限幅值）if(pid.integral > pid.maxIntegral) pid.integral = pid.maxIntegral;else if(pid.integral < -pid.maxIntegral) pid.integral = -pid.maxIntegral;//计算PWM输出值pid.output = pout + dout + pid.integral;//输出PWM限幅（大于限幅值，则赋值PWM输出限幅值）（小于负的限幅值，则赋值负的PWM输出限幅值）if(pid.output > pid.maxOutput) pid.output = pid.maxOutput;else if(pid.output < -pid.maxOutput) pid.output = -pid.maxOutput;
}PID mypid;//创建一个PID结构体变量main(){//...初始化其它代码(PWM等)PID_Init(&mypid,10,1,5,800,1000);//初始化PID参数while(1){//进入循环运行float feedbackValue=...;  //获取到被控对象的反馈值float targetValue  =...;  //设置的目标值//进行PID计算，结果保存在output变量中PID_Calc(&mypid,targetValue,feedbackValue);//设定执行器输出(mypid.output)值.... = mypid.output;delay(10);//等待一定时间再开始下一次循环}
}