前面我们发布了一系列PID控制器相关的文章，包括经典PID控制器以及参数自适应的PID控制器。这一系列PID控制器虽说实现了主要功能，也在实际使用中取得了良好效果，但还有很多的细节部分可以改进以提高性能和灵活性。所以在这篇中我们来讨论改进PID控制器以实现动态调整参数的目的。
1、提出问题
在我们一开始开发PID控制器时，我们主要是关注于其算法的实现而没有过多的关心其使用过程。但在我们的使用过程中发现有些不够灵活的地方。
在原有的PID控制器中，设定值是通过在外部给PID对象的参数赋值实现的，虽然说并不影响使用，但我们若想对PID控制器中的参数设定值进行某些处理就不是很方便了。而在原有的PID控制器中，输出值在外部是不可见的，只能通过PID对象查看且不可更改。这些使得对这些参数的操作显得不够灵活。
而且在原有的PID控制器中3个调节参数也不能在外部随时调整，这显然不符合很多应用的需要，因为PID参数的调整是很常见的工作。所以在这篇中我们来考虑实现这些参数的动态调整。
2、分析设计
为了使得PID控制器使用起来更为灵活，我们需要将PID对象作必要的改动。关于PID对象我们考虑将测量值、设定值、输出值作为对象的属性。但我们不是直接将这几个变量作为对象属性，因为这样达不到我们从外部灵活操作的目的，我们将几个指向浮点变量的指针作为对象的属性，而初始化后这几个指针将指向我们的测量值、设定值、输出值变量。
同样的三个PID参数我们想要在外部修改它，我们也将其在外部定义为变量，而在PID对象中定义为指向这三个变量的浮点数指针。在对对象进行初始化时，我们将变量地址赋值给这几个指针。据此我们定义PID对象类型为：
1 /*定义结构体和公用体*/ 2 typedef struct CLASSIC 3 { 4 float *pPV; //测量值指针 5 float *pSV; //设定值指针 6 float *pMV; //输出值指针 7 float *pKp; //比例系数指针 8 float *pKi; //积分系数指针 9 float *pKd; //微分系数指针 10 11 float setpoint; //设定值 12 float lasterror; //前一拍偏差 13 float preerror; //前两拍偏差 14 float deadband; //死区 15 float result; //PID控制器计算结果 16 float output; //输出值0-100% 17 float maximum; //输出值上限 18 float minimum; //输出值下限 19 float errorabsmax; //偏差绝对值最大值 20 float errorabsmin; //偏差绝对值最小值 21 float alpha; //不完全微分系数 22 float deltadiff; //微分增量 23 float integralValue; //积分累计量 24 float gama; //微分先行滤波系数 25 float lastPv; //上一拍的过程测量值 26 float lastDeltaPv; //上一拍的过程测量值增量 27 }CLASSICPID;
3、软件实现
我们计划将PID参数和过程变量改成指向浮点型变量的指针，那么代码上需要做哪些修改呢？需要修改的主要是两个函数：PID调节函数和PID对象初始化函数。
首先，我们来看一看PID对象的初始化函数。我们知道将这些变量修改为指向浮点变量法的指针后，我们就必须在初始化时指定具体的变量地址，否则指向的将是不可预知的位置。所以我们修改初始化函数如下：
1 /* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */ 2 void PIDParaInitialization(CLASSICPID *vPID, //PID控制器对象 3 float *pPV, //测量值指针 4 float *pSV, //设定值指针 5 float *pMV, //输出值指针 6 float *pKp, //比例系数指针 7 float *pKi, //积分系数指针 8 float *pKd, //微分系数指针 9 float vMax, //控制变量量程 10 float vMin, //控制变量的零点 11 ) 12 { 13 if((vPID==NULL)||(pPV==NULL)||(pSV==NULL)||(pMV==NULL)||(pKp==NULL)||(pKi==NULL)||(pKd==NULL)) 14 { 15 return; 16 } 17 vPID->pPV=pPV; 18 vPID->pSV=pSV; 19 vPID->pMV=pMV; 20 vPID->pKp=pKp; 21 vPID->pKi=pKi; 22 vPID->pKd=pKd; 23 24 vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/ 25 vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/ 26 27 vPID->setpoint=*pPV; /*设定值*/ 28 29 vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/ 30 vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/ 31 vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/ 32 vPID->output=0.0; /*输出值，百分比*/ 33 34 vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8; 35 vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2; 36 37 vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.0005; /*死区*/ 38 vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/ 39 vPID->deltadiff=0.0; /*微分增量*/ 40 41 vPID->integralValue=0.0; 42 43 vPID->mode=mode; 44 }
其次，我们还需要修改PID调节函数。在原来的PID调节器中过程值是作为函数的参数输入的，而且PID参数是作为变量存在于对象内部的，所以要针对这两个方面做相应的修改：
1 /* 通用PID控制器,采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能，微分项采用不完全微分，一阶滤波，alpha值越大滤波作用越强 */ 2 void PIDRegulator(CLASSICPID *vPID) 3 { 4 float thisError; 5 float result; 6 float factor; 7 float increment; 8 float pError,dError,iError; 9 10 vPID->setpoint=*vPID->pSV; 11 thisError=vPID->setpoint-(*vPID->pPV); //得到偏差值 12 result=vPID->result; 13 if (fabs(thisError)>vPID->deadband) 14 { 15 pError=thisError-vPID->lasterror; 16 iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0; 17 dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror; 18 19 //变积分系数获取 20 factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin); 21 22 //计算微分项增量带不完全微分 23 vPID->deltadiff=(*vPID->pKd)*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff; 24 25 increment=(*vPID->pKp)*pError+(*vPID->pKi)*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算 26 } 27 else 28 { 29 if((fabs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(fabs((*vPID->pPV)-vPID->minimum)<vPID->deadband)) 30 { 31 result=vPID->minimum; 32 } 33 increment=0.0; 34 } 35 36 result=result+increment; 37 38 /*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/ 39 if(result>=vPID->maximum) 40 { 41 result=vPID->maximum; 42 } 43 if(result<=vPID->minimum) 44 { 45 result=vPID->minimum; 46 } 47 48 vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算 49 vPID->lasterror=thisError; 50 vPID->result=result; 51 52 vPID->output=(vPID->result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum)*100.0; 53 54 *vPID->pMV=vPID->output; 55 } 56 }
4、总结
我们将PID参数和过程变量都改为了对象所包含的指针，这样当我们从上位机或者其他进程修改变量的值时，也同步修改了PID对象中的值。测试的结果比原来的方式操作更为方便。
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