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使用增量式PID對直流電機進行簡單的控制

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樓主
本帖最后由 kaixuan520 于 2019-7-12 10:04 編輯

位置式PID控制
位置式PID控制是指在積分環節，對從0時刻到當前時刻的所有偏差進行積分，是非遞推式的全局積分。
增量式PID控制
和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量做差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法。
增量式PID控制的主要優點為：
①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；
②計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；
③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換[2]  。
由于增量式需要對控制量進行記憶，所以對于不帶記憶裝置的系統，只能使用位置式PID控制方式進行控制。


公式：




上代碼：
使用定時器3作為PWM輸出，頻率為20KHz，調節占空比0-100%來改變電機速度
    //TIM3初始化和輸出GPIO初始化
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = 99;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = 35;                //20KHz
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStruct;
    TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitTypeStruct.TIM_Pulse = DutyCycle;                                                                //占空比
    TIM_OC1Init(TIM3,&TIM_OCInitTypeStruct);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);





   //使用定時器1作輸入捕獲，PWM輸入模式，
   //GPIO和定時器1初始化
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = TIM1_ARR;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = TIM1_PSC;
    TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitTypeStruct;
    TIM_ICInitTypeStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICFilter = 0x0f;//對輸入的脈沖進行濾波
    TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICSelection =  TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_PWMIConfig(TIM1,&TIM_ICInitTypeStruct);

    TIM_SelectInputTrigger(TIM1,TIM_TS_TI1FP1);                //選擇輸入觸發方式
    TIM_SelectSlaveMode(TIM1,TIM_SlaveMode_Reset);        //設置從機模式
    TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);//

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeStruct;
    NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;//輸入捕獲中斷線
    NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitTypeStruct);

    TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_CC1,ENABLE);//使能通道1捕獲中斷

    TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

    TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);

//通過輸入捕獲中斷函數來取得電機編碼器的頻率，占空比，周期，從而計算出速度
uint16_t IC1V;
uint16_t IC2V;
void TIM1_CC_IRQHandler(void)
{
    TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

    IC1V = TIM_GetCapture1(TIM1);//周期us
    IC2V = TIM_GetCapture2(TIM1);//占空比
    if(IC1V!=0)
    {
        IC1V+=1;
        IC2V+=1;
        float d1 = ((float)IC1V/1000);
        float d2 = ((float)IC2V/1000);
        float f = (float)IC1V/1000000;
        DutyCycle = 100*d2/d1;//占空比
        Frequency = 1/f;        //計算出編碼器的頻率
        Period = (float)IC1V/1000;//周期ms
    } else {
        Frequency = 0;
        DutyCycle = 0;
    }
}


//再使用一個100ms的定時器來每秒10次的數據采集和控制，定時器初始化就不貼了，具體看附件

float M_PWM = 0;
float M_Speed = 0;
uint8_t xi=0;
void TIM2_IRQHandler(void)//100ms定時器中斷
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
    {
        //if(Frequency!=0) {
        GPIOB->ODR ^= GPIO_Pin_5;
        M_Speed = Frequency;
        M_Speed /= 20;
                Frequency = 0;

        int value = Compute_PID((uint16_t)(M_Speed*100));//進行PID計算，返回PWM占空比
                int y = value;
        float n = value/100;
        M_PWM += n;

        if(xi==0) {//沒500ms向串口發送一次數據
                        printf("當前轉速：%0.2f\r\n",M_Speed);
                        printf("目標轉速：%d\r\n",(uint16_t)PID_Struct->SetPoint/100);
            printf("P:%0.4f,I:%0.4f,D:%0.4f,LE:%d,PE:%d,VO:%d,MO:%d\r\n",//PID相關參數信息，
                        PID_Struct->Proportion,PID_Struct->Integral,PID_Struct->Derivaltive,
                        PID_Struct->LastError,PID_Struct->PreError,y,(int)M_PWM);  
            printf("Period:%0.4fms, Frequency:%0.4fHz, DutyCycle:%0.4f%%\r\n",Period,Frequency,DutyCycle);//PWM輸出的周期，頻率，占空比
            printf("\r\n\r\n");
        }
        xi++;
        xi%= 5;
        if(M_PWM>100)M_PWM = 100;                //防止越過最大和最小控制量
        if(M_PWM<0)M_PWM = 0;
        TIM_SetCompare1(TIM3,(uint16_t)M_PWM);
        //}
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
    }
}


PID算法結構體
typedef struct {
    int SetPoint;                        //設定值
    long SumError;                        //累計誤差

    double Proportion;                //比例
    double Integral;                //積分
    double Derivaltive;                //微分

    int LastError;                        //上次誤差
    int PreError;                        //上上次誤差
} PID_S;

static PID_S PID_Struct_;
static PID_S *PID_Struct = &PID_Struct_;


//main：
/PID參數整定方法請轉各大論壇查找教程，這里不詳細介紹
PID_Struct->Proportion = 1.92;
    PID_Struct->Integral = 1.65;
    PID_Struct->Derivaltive = 0.116;
    PID_Struct->SetPoint = 80*100;


//PID計算
int Compute_PID(uint16_t nowValue)
{
    register int iError,Ouk;
    iError = PID_Struct->SetPoint - nowValue;//當前誤差
//    PID_Struct ->SumError += iError;

    Ouk = (PID_Struct->Proportion * iError)
          - (PID_Struct->Integral * PID_Struct->LastError)
          + (PID_Struct->Derivaltive *PID_Struct->PreError);

    PID_Struct->PreError = PID_Struct->LastError;

    PID_Struct->LastError = iError;
    return Ouk;
}


電路方面制作
電機使用12V掃地機器人的電機，編碼器使用每圈20次脈沖的光電編碼器
使用LM393電壓比較器對光電編碼器輸出進行穩定和優化
電路圖：







編碼器輸出波形圖：


波形還是比較完美的

電機驅動使用L298N，連接圖:


串口打印數據：

視頻演示PWM輸出效果：https://share.weiyun.com/5idpKLF



增大阻力和調節速度都能快速回到設定值以下為附件信息
STM32源碼： PID_直流調速.rar (349.35 KB, 下載次數: 157)
PID學習資料： PID算法.zip (1.81 MB, 下載次數: 113)






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沙發
ID:492516 發表于 2019-7-14 20:52 | 只看該作者
VO:%d,MO:%d這兩個參數表示pid的啥
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板凳
ID:492516 發表于 2019-7-14 20:52 | 只看該作者
求大佬解釋
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地板
ID:300212 發表于 2019-7-15 15:05 | 只看該作者
小林大哥哥 發表于 2019-7-14 20:52
VO:%d,MO:%d這兩個參數表示pid的啥

VO是PID計算出的結果，MO是當前輸出PWM的占空比
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5#
ID:380985 發表于 2019-7-16 17:17 來自手機 | 只看該作者
很好的學習資料，在學習平衡小車，研究下
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6#
ID:380985 發表于 2019-7-17 17:43 來自手機 | 只看該作者
電路圖提供一下唄
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7#
ID:300212 發表于 2019-7-20 19:41 | 只看該作者
18239311863 發表于 2019-7-17 17:43
電路圖提供一下唄

沒有電路圖，電路自己設計的只有編碼器那塊的，電路圖在貼子中，別的連接都是杜邦線直接連的
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8#
ID:573864 發表于 2019-8-1 10:03 | 只看該作者
沒有PID.c文件
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9#
ID:300212 發表于 2019-9-20 13:24 來自手機 | 只看該作者
13958988573 發表于 2019-8-1 10:03
沒有PID.c文件

沒用到，代碼都在main.c里
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10#
ID:553615 發表于 2020-3-8 17:40 | 只看該作者
請問大佬，程序里用于捕獲的定時器只使能了通道1，為什么還能用通道2采集占空比呢？
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11#
ID:693716 發表于 2020-3-16 11:24 | 只看該作者
學習了，謝謝大佬分享
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12#
ID:717071 發表于 2020-5-4 14:36 | 只看該作者
資源不錯
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13#
ID:717071 發表于 2020-5-4 19:36 | 只看該作者
樓主，輸入捕獲中斷函數里面的ICV1和ICV2為什么分別是周期和占空比啊
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