PID控制算法.docx
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PID控制算法
下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：
1、比例控制规律P：
采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。
如：
金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。
2、比例积分控制规律（PI）：
在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。
积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
如：
在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。
3、比例微分控制规律（PD）：
微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。
因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。
如：
加热型温度控制、成分控制。
需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。
如：
大窑玻璃液位的控制。
4、比例积分微分控制规律（PID）：
PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。
它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。
如温度控制、成分控制等。
鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。
其中容量滞后通常又包括：
测量滞后和传送滞后。
测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。
而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。
纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：
大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。
总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。
如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。
当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。
如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。
5，公式：
8，pid算法流程图：
对于学控制的人都知道，Matlab在全数字仿真领域占尽了风头，不但功能强大，其simulink工具使用图形的方式既直观又方便，但是它在实际的数字控制中却无能为力，因为它运算速度太慢，做一次for循环所用的时间是c语言的好多倍，而VC++在效率方面很有优势，因为他使用可以是c语言，它和windows操作系统很接近，许多API函数都是以c语言的形式提供的，因为它与操作系统很好的结合，所以其效率和实时性都比较高。
下面主要讲下PID控制的数字算法的伪代码
constdoubledTimeInterval=0.001;//采样间隔为0.001秒
//PID参数，实际使用时根据系统调试
doubleKp=2.5;
doubleKi=5.0;
doubleKd=1.2;
voidCALLBACKPIDControl（UINTuID,UINTuMsg,DWORDdwUser,DWORDdw1,DWORDdw2）
{
staticdoubledValue[3];
staticdoubledOldError;
doubledOutSignal;//PID控制的输出
doubledError;
doubledDemandSignal=GetDemandSignal（）;//输入值
doubledFeedbackSignal=GetFeedbackSignal（）;//反馈值
dError=dDemandSignal–dFeedbackSignal;//偏差
dValue[0]=Kp*dError;比例
dValue[1]=dValue[1]+Ki*dError*dTimeInterval;//积分
dValue[2]=Kd*（dError-dOldError）/dTimeInterval;//微分
dOutSignal=dValue[0]+dValue[1]+dValue[2];//输出值
SendControlSignal（dOutSignal）;//这个函数是把控制量输出到D/A,然后传送到以后的环节进行控制
}
以上的代码是一个定时中断处理函数，每1ms执行一次控制，因此必须要有一个定时器来控制上面所写的代码的执行，定时间隔不同，dTimeInterval也不同。
对于windows系统，可以用timeSetEvent（）函数来注册一个定时中断处理函数，最小的定时间隔可以达到1ms，在一般的控制系统中能满足要求。
4.PID试验结果
采样周期：
Ts=0.002;设定值：
Setpoint=100;
1）当只有P控制器时，响应速度快，波形会出现一定的振荡。
Kp=0.8;//比例增益
Ti=0.0;//积分时间
Td=0.0;//微分时间
2）适当调节积分时间Ti后波形如下：
Kp=6;//比例增益
Ti=0.001;//积分时间
Td=0.0;//微分时间
增加了积分调节后波形变的平滑了
3）最后增加微分调节，以提高动态性能。
Kp=30;//比例增益
Ti=0.0005;//积分时间
Td=0.004;//微分时间
由以上分析知，经过PID综合调节后达到稳定的时间提前了，响应速度快，静态误差变小了，抗干扰能力大大增强。
《面向对象的VisualC++程序设计》
课程设计报告
学号：
姓名：
专业年级：
河南大学物理与电子学院
测控技术与仪器教研室
PID控制器的面向对象方法实现
1.面向对象的程序设计方法
面对对象编程（Object-orientedProgramming,OOP）
C++是由AT&TBell（贝尔）实验室的BjarneStroustrup博士及其同事与20世纪80年代在C语言的基础上开发成功的。
Ｃ＋＋保留了Ｃ语言原有的所有优点，增加了面向对象的机制。
出发点是为了能更直接的描述客观世界中存在的事物（即对象），以及它们之间的关系。
面对对象编程语言将客观事物看作具有属性和行为的对象，通过抽象找出同一类对象的共同属性（静态特性）和行为（动态特性）形成类。
通过类的继承与多态可以很方便的实现代码的重用。
抽象
抽象是忽略与与所处理问题无关或非本质的信息，以充分的注意与当前目标有关的特征。
封装性，类，对象：
将数据及对数据的操作方法放在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体——对象。
对同类型的对象抽象出其共性，形成类。
继承性
基类，派生类：
继承是一种连接类的层次模型，提供了一种表述共性的方法。
新的类可以从现有的类中派生，派生的类可以继承现有类的属性和操作，也可以修改和增加新的操作。
多态性
重载，动态联编：
类中具有相似功能的不同函数使用同一个名字来使用，允许不同类的对象对同一个消息作出不同的响应。
允许派生类的的对象当作基类的来使用。
多态性提高了代码的重用性和可扩展性。
2.PID基本原理
PID代表Proportonal-Integral-Differential，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。
P控制器实质上是一个可调增益的放大器。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
I控制器可以提高系统的性别（无差度），I应发生在系统频率特性的低频段以提高系统的稳态性能。
D能反应输入信号的变化趋势，产生早期的修正信号，增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。
应使D发生在频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。
3.C++实现PID的程序设计
PID控制器程序流程图：
4.PID试验结果
采样周期：
Ts=0.002;设定值：
Setpoint=100;
1）当只有P控制器时，响应速度快，波形会出现一定的振荡。
Kp=0.8;//比例增益
Ti=0.0;//积分时间
Td=0.0;//微分时间
2）适当调节积分时间Ti后波形如下：
Kp=6;//比例增益
Ti=0.001;//积分时间
Td=0.0;//微分时间
增加了积分调节后波形变的平滑了
3）最后增加微分调节，以提高动态性能。
Kp=30;//比例增益
Ti=0.0005;//积分时间
Td=0.004;//微分时间
由以上分析知，经过PID综合调节后达到稳定的时间提前了，响应速度快，静态误差变小了，抗干扰能力大大增强。
5.总结
通过这次课程设计让我巩固了所学的知识，学以致用，对所学的课程有了更深一步的认识。
不仅练习了本门课程C++高级语言，而且理解了PID控制的原理和掌握了其是如何实现的。
参考文献
[1]StanleyB.Lippman,JoseeLajoie,BarbaraE.Moo著．李诗贤等译.C++Primer中文版,第四版．北京：
人民邮电出版社，2006.3．
[2]张福祥，面对对象程序设计基础．北京：
高等教育出版社,2004.12．
[3]胡寿松，自动控制原理简明教程。
北京：
科学出版社，2008
[4]XX文库，
3&weight=4&lastweight=3&count=5
附录
PID部分源代码：
//_________头文件pid.h实现类的定义_________________________
classPID
{
public:
doubleTs,Kp,Ti,Td,Setpoint;
doubleek,ek_1,ek_2;
PID（）;
PID（doublets,doublekp,doubleti,doubletd,doublesetpoint）;
doublepid_out（doublepid_in）;
~PID（）{}//析构函数
};
/****************************************************************
主文件pid.cpp主要实现：
*对PID类的成员变量初始化（构造函数重载）
*PID:
:
PID（）
*PID:
:
PID（doublets,doublekp,doubleti,doubletd,doublesetpoint）
*成员函数函数doublePID:
:
pid_out（doublepid_in）//增量式PID
****************************************************************/
#include"pid.h"
//-------无参的---------------------------------------
PID:
:
PID（）
{
Ts=0.002;//采样周期
Kp=30;//比例增益
Ti=0.0005;//积分时间
Td=0.004;//微分时间
Setpoint=100;//设置位置
ek=0;//当前偏差
ek_1=0;//上次偏差
ek_2=0;//前次偏差
}
//-------有参的----------------------------------------------
PID:
:
PID（doublets,doublekp,doubleti,doubletd,doublesetpoint）
{
Ts=ts;
Kp=kp;
Ti=ti;
Td=td;
Setpoint=setpoint;
ek=0;
ek_1=0;
ek_2=0;
}
//-----------PID主成员函数---------------------------------
doublePID:
:
pid_out（doublepid_in）//增量式PID
{
ek=Setpoint-pid_in;//当前偏差=设定的值-PID输入值（反馈值）
doublePidOut;//PID调节后输出
PidOut=Kp*（Ts/Ti+Td/Ts）*ek-Kp*（1+2*Td/Ts）*ek_1+Kp*Td/Ts*ek_2;
//PID主要
ek_2=ek_1;//更新：
把“现在”的赋值给“上次”
ek_1=ek;//更新：
把“上次”的赋值给“前次”
return（double）PidOut;//返回PID调节后值，进行输出
}
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