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[经验] 【教程】如何在STM32上实现增量式PID转

2015-5-22 10:37:59  70957 控制系统 直流电机 编码器 定时器
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本帖最后由 Struggle! 于 2015-5-22 10:40 编辑

虽然PID不是什么牛逼的东西,但是真心希望以后刚刚接触这块的人能尽快进入状态。特地分享一些自己如何实现的过程。
首先说说增量式PID的公式,这个关系到MCU算法公式的书写,实际上两个公式的写法是同一个公式变换来得,不同的是系数的差异。
资料上比较多的是:
1.jpg

还有一种的算法是:
2.jpg

这里主要介绍第二种,具体会分析比例、积分、微分三个环节的作用。

硬件部分:
控制系统的控制对象是4个空心杯直流电机,电机带光电编码器,可以反馈转速大小的波形。电机驱动模块是普通的L298N模块。
芯片型号,STM32F103ZET6

软件部分:
PWM输出:tiM3,可以直接输出4路不通占空比的PWM波
PWM捕获:STM32除了TIM6 TIM7其余的都有捕获功能,使用TIM1 TIM2 TIM4 TIM5四个定时器捕获四个反馈信号
PID的采样和处理:使用了基本定时器TIM6,溢出时间就是我的采样周期,理论上T越小效果会越好,这里我取20ms,依据控制对象吧,如果控制水温什么的采样周期会是几秒几分钟什么的。

上面的PWM输出和捕获关于定时器的设置都有例程,我这里是这样的:
TIM3输出四路PWM,在引脚 C 的 GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9输出
四路捕获分别是TIM4  TIM1  TIM2  TIM5   ,对应引脚是:  PB7 PE11 PB3 PA1
高级定时器tim1的初始化略不同,它的中断”名称“和通用定时器不同。具体的内容,请大家看一下我分享的代码就明白了。
程序.zip (2.51 KB, 下载次数: 5250)




主要讲解PID部分
准备部分:先定义PID结构体:
  1. typedef struct
  2. {
  3. int setpoint;//设定目标
  4. int sum_error;//误差累计
  5. float proportion ;//比例常数
  6. float integral ;//积分常数
  7. float derivative;//微分常数
  8. int last_error;//e[-1]
  9. int prev_error;//e[-2]
  10. }PIDtypedef;
复制代码
在文件中定义几个关键变量:
  1. float  Kp =     0.32  ; //比例常数
  2. float  Ti =                0.09 ; //积分时间常数
  3. float Td =                0.0028 ;  //微分时间常数
  4. #define T                  0.02 //采样周期
  5. #define Ki     Kp*(T/Ti)        // Kp Ki Kd 三个主要参数
  6. #define Kd                Kp*(Td/T)
复制代码
PID.H里面主要的几个函数:
  1. void PIDperiodinit(u16 arr,u16 psc);        //PID 采样定时器设定
  2. void incPIDinit(void);                //初始化,参数清零清零
  3. int incPIDcalc(PIDtypedef*PIDx,u16 nextpoint);           //PID计算
  4. void PID_setpoint(PIDtypedef*PIDx,u16 setvalue);  //设定 PID预期值
  5. void PID_set(float pp,float ii,float dd);//设定PID  kp ki kd三个参数
  6. void set_speed(float W1,float W2,float W3,float W4);//设定四个电机的目标转速
复制代码

PID处理过程:
岔开一下:这里我控制的是电机的转速w,实际上电机的反馈波形的频率f、电机转速w、控制信号PWM的占空比a三者是大致线性的正比的关系,这里强调这个的目的是
因为楼主在前期一直搞不懂我控制的转速怎么和TIM4输出的PWM的占空比联系起来,后来想清楚里面的联系之后通过公式把各个系数算出来了。

正题:控制流程是这样的,首先我设定我需要的车速(对应四个轮子的转速),然后PID就是开始响应了,它先采样电机转速,得到偏差值E,带入PID计算公式,得到调整量也就是最终更改了PWM的占空比,不断调节,直到转速在稳态的一个小范围上下浮动。
上面讲到的“得到调整量”就是增量PID的公式:

  1. int incPIDcalc(PIDtypedef *PIDx,u16 nextpoint)
  2. {
  3. int iError,iincpid;
  4. iError=PIDx->setpoint-nextpoint;  //当前误差
  5. /*iincpid=                                               //增量计算
  6. PIDx->proportion*iError                //e[k]项
  7. -PIDx->integral*PIDx->last_error          //e[k-1]
  8. +PIDx->derivative*PIDx->prev_error;//e[k-2]
  9. */
  10. iincpid=                                                          //增量计算
  11. PIDx->proportion*(iError-PIDx->last_error)
  12. +PIDx->integral*iError
  13. +PIDx->derivative*(iError-2*PIDx->last_error+PIDx->prev_error);

  14. PIDx->prev_error=PIDx->last_error; //存储误差,便于下次计算
  15. PIDx->last_error=iError;
  16. return(iincpid) ;
  17. }
复制代码
注释掉的是第一种写法,没注释的是第二种以Kp KI kd为系数的写法,实际结果是一样的
处理过程放在了TIM6,溢出周期时间就是是PID里面采样周期(区分于反馈信号的采样,反馈信号采样是1M的频率)
相关代码:
  1. void TIM6_IRQHandler(void)        //        采样时间到,中断处理函数
  2. {         
  3.         
  4. IF (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)//更新中断
  5.         {
  6.         frequency1=1000000/period_TIM4        ; //通过捕获的波形的周期算出频率
  7.         frequency2=1000000/period_TIM1        ;
  8.         frequency3=1000000/period_TIM2        ;
  9.         frequency4=1000000/period_TIM5        ;
  10. /********PID1处理**********/
  11.         PID1.sum_error+=(incPIDcalc(&PID1,frequency1));         //计算增量并累加
  12.        pwm1=PID1.sum_error*4.6875  ;   //pwm1 代表将要输出PWM的占空比
  13.           frequency1=0; //清零
  14.      period_TIM4=0;
  15. /********PID2处理**********/
  16.          PID2.sum_error+=(incPIDcalc(&PID2,frequency2));         //计算增量并累加  Y=Y+Y'               
  17.          pwm2=PID2.sum_error*4.6875 ;   //将要输出PWM的占空比
  18.         frequency2=0;
  19.         period_TIM1=0;
  20. /********PID3处理**********/
  21.          PID3.sum_error+=(incPIDcalc(&PID3,frequency3));          //常规PID控制
  22.         pwm3=PID3.sum_error*4.6875 ;   //将要输出PWM的占空比
  23.         frequency3=0;
  24.         period_TIM2=0;
  25. /********PID4处理**********/
  26.             PID4.sum_error+=(incPIDcalc(&PID4,frequency4));         //计算增量并累加
  27.          pwm4=PID4.sum_error*4.6875 ;   //将要输出PWM的占空比
  28.         frequency4=0;
  29.         period_TIM5=0;
  30.           }
  31. TIM_SetCompare(pwm1,pwm2,pwm3,pwm4);             //重新设定PWM值
  32. TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update); //清除中断标志位               
  33. }
复制代码
上面几个代码是PID实现的关键部分

还有整定过程:
办法有不少,这里用的是先KP,再TI,再TD,在微调。其他的办法特别是有个尼古拉斯法我发现不适合我这个控制对象。
先Kp,就是消除积分和微分部分的影响,这里我纠结过到底是让Ti 等于一个很大的值让Ki=Kp*(T/Ti)里面的KI接近零,还是直接定义KI=0,TI=0.
然后发现前者没法找到KP使系统震荡的临界值,第二个办法可以得到预期的效果:即KP大了会产生震荡,小了会让系统稳定下来,当然这个时候是有稳态误差的。
随后把积分部分加进去,KI=Kp*(T/Ti)这个公式用起来,并且不断调节TI 。TI太大系统稳定时间比较长。
然后加上Kd        =Kp*(Td/T),对于系统响应比较滞后的情况效果好像好一些,我这里的电机反映挺快的,所以Td值很小。
最后就是几个参数调节一下,让波形好看一点。这里的波形实际反映的是采集回来的转速值,用STM32的DAC功能输出和转速对应的电压,用示波器采集的。
最后的波形是这样的:
3.jpg
内容转自某莫
当然最后还是要分享一下最终的PID文件
pid.zip (2.88 KB, 下载次数: 5257)


奋斗深蓝 2015-5-22 11:26:53
多谢分享,正在学习中
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鬼谷左原 2015-5-22 13:04:39
楼主的光电编码器可以试试STMe32的正交编码器
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zjutcf 2015-5-22 23:04:08
谢谢  楼主 分享。。。。
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Aidaohuakai 2015-5-23 12:07:04
牛啊!谢谢分享!
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dbxzjq 2015-5-26 01:08:12
谢谢分享,学习了
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谁来救我 2015-6-1 12:34:16
请问楼主STM32如何实现模糊PID控制
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化石翼龙 2015-6-1 12:38:14
看看,效果如何
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疯狂的电子迷 2015-6-1 13:40:06
谢谢分享。。。
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萧斌 2015-6-1 13:56:38
很有学习意义,多谢分享
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此刻心晴 2015-6-1 14:24:39
简直是在逗我,L298n。。。
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弹指一瞬间 2015-6-1 15:22:51
已收藏,,,支持楼主
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gluck1980 2015-6-1 16:50:16
学习中!谢谢楼主分享
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璟天 2015-6-1 16:52:34
虽然我看不懂 还是好好的学习一下 以后控制电机有用的
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ckwenchao 2015-6-1 17:24:09
好东西,PID曾经也让我纠结了很长一段时间,现在看到你的文章,还是有所感触,谢谢分享
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jnu1214 2015-6-1 18:41:40
ckwenchao 发表于 2015-6-1 17:24
好东西,PID曾经也让我纠结了很长一段时间,现在看到你的文章,还是有所感触,谢谢分享

很不错的教程,有空试试
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sym21ic 2015-6-1 22:00:22
很不错的教程.谢谢楼主分享
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努力无悔 2015-6-1 22:05:34
好东西,。赞一个
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努力无悔 2015-6-1 22:06:25
谢谢分享,最近在学
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zhpe 2015-6-1 22:37:34
好资料,多谢分享!!
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评论

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