基于TI板MSP430 玩转PID

玩转PID"/>

基于TI板MSP430 玩转PID

文章目录

• 前言
• 一、整体框架
• 二、PID算法
• • 1. 位置式PID
  • 2. 增量式PID
  • 3. 比例外置式PID
  • 4. 积分限幅、输出限幅和PID参数整定
  • 5. 位置式PID和增量式PID的区别及抉择
• 三、初值获取
• • 1. 定时器输入捕获
  • 2. 外部中断
  • 3. ADC采样

前言

具体啥是PID，我这里不做介绍，网上有大把的资料可查，以下我推荐几篇优秀文章以供大家参考：

• 史上最详细的PID教程——理解PID原理及优化算法 ---------- 【狂刀西瓜】
  
• 位置式PID与增量式PID区别浅析 ---------- 【Z小旋】
  
• 深入浅出PID控制算法 ---------- 【万般滋味皆生活】

一、整体框架

该篇以电机控速为例展开分析，假如你手上有一个编码器电机，其余配件若干，请你运用PID算法相关知识设计出一套完整的反馈路线。

相信大家最常用的设计路线是用定时器，那么这里我就以定时器来构思反馈路线。

1. 编码器电机的变化源于所在ABZ三相的变化(一般编码器电机只有A相和B相，这里也以该俩相为例)，所以先对该两项进行设计，可知定时器有输入捕获功能刚好可以用于捕获AB相的变化 【定时器一】。
2. 每隔一定时间对电机速度进行一次检测，以及时响应未知变化 【定时器二】。
3. 需对电机进行速度控制，也就是PWM设计 【定时器三】。
4. 你需给定电机一个初速度，那么该怎么给呢，我的方法是你可以根据你检测电机的时间，也就是定时器二的时间所捕获到的AB相脉冲数做为初速度，PWM周期可根据实际脉冲数而设定。

简易框图如下：

二、PID算法

1. 位置式PID

位置式Pid就是位置闭环控制，位置闭环控制就是根据编码器的脉冲累加，测量电机的位置信息，并与目标值进行比较得到一个控制偏差，然后我们对偏差进行比例积分、微分的控制，使偏差趋近于0的一个过程。

• 优点：
  位置式PID是一种非递推式算法，可直接控制执行机构（如平衡小车），u(k)的值和执行机构的实际位置（如小车当前角度）是一一对应的，因此在执行机构不带积分部件的对象中可以很好应用
• 缺点：
  每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算工作量大。

PID_VAR_TYPE Position_PID_Cal(PID * s_PID,PID_VAR_TYPE now_point)
{s_PID->LastResult = s_PID->Result;                 // 简单赋值运算//误差计算s_PID->Error = s_PID->SetPoint - now_point;s_PID->SumError += s_PID->Error;                            //积分误差累加//积分限幅PID_VAR_TYPE IOutValue = s_PID->SumError * s_PID->Integral;if(IOutValue > s_PID->IntegralMax)IOutValue = s_PID->IntegralMax;else if(IOutValue < s_PID->IntegralMin)IOutValue = s_PID->IntegralMin;//PID计算s_PID->Result =  s_PID->Proportion  *  s_PID->Error                          // 比例项+ IOutValue                                                     // 积分项+ s_PID->Derivative  * (s_PID->Error - s_PID->LastError);     // 微分项s_PID->PrevError = s_PID->LastError;                               // 简单赋值运算s_PID->LastError = s_PID->Error;                       // 简单赋值运算//输出限幅if(s_PID->Result > s_PID->OutMax)s_PID->Result = s_PID->OutMax;else if(s_PID->Result < s_PID->OutMin)s_PID->Result = s_PID->OutMin;return s_PID->Result;
}

2. 增量式PID

增量式pid就是速度闭环控制，速度闭环控制是根据单位时间获取的脉冲数，测量电机的速度信息，并于目标值进行比较，得到了偏差。然后同样通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋近于0的一个过程。

• 优点：
  ①误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉出错数据。
  ②手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。当计算机故障时，仍能保持原值。
  ③算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关。
• 缺点：
  ①积分截断效应大，有稳态误差；
  ②溢出的影响大。有的被控对象用增量式则不太好；

PID_VAR_TYPE Increment_PID_Cal(PID * s_PID,PID_VAR_TYPE now_point)
{s_PID->LastResult = s_PID->Result;                         // 简单赋值运算//误差计算s_PID->Error = s_PID->SetPoint - now_point;//PID计算s_PID->Result = s_PID->LastResult+ s_PID->Proportion  * (s_PID->Error - s_PID->LastError)                          // 比例项+ s_PID->Integral    *  s_PID->Error                                         // 积分项+ s_PID->Derivative  * (s_PID->Error - 2*(s_PID->LastError) + s_PID->PrevError);  // 微分项s_PID->PrevError = s_PID->LastError;                       // 简单赋值运算s_PID->LastError = s_PID->Error;                       // 简单赋值运算//输出限幅if(s_PID->Result > s_PID->OutMax)s_PID->Result = s_PID->OutMax;else if(s_PID->Result < s_PID->OutMin)s_PID->Result = s_PID->OutMin;return s_PID->Result;
}

3. 比例外置式PID

此类运用相对较少，请自行查阅

PID_VAR_TYPE PID_Cal(PID * s_PID,PID_VAR_TYPE now_point)
{s_PID->LastResult = s_PID->Result;                 // 简单赋值运算//误差计算s_PID->Error = s_PID->SetPoint - now_point;s_PID->SumError += s_PID->Error;                            //积分误差累加//积分限幅PID_VAR_TYPE IOutValue = s_PID->SumError * s_PID->Integral;if(IOutValue > s_PID->IntegralMax)IOutValue = s_PID->IntegralMax;else if(IOutValue < s_PID->IntegralMin)IOutValue = s_PID->IntegralMin;//PID计算s_PID->Result = s_PID->Proportion *(s_PID->Error + IOutValue + s_PID->Derivative * (s_PID->Error - s_PID->LastError) );s_PID->PrevError = s_PID->LastError;                               // 简单赋值运算s_PID->LastError = s_PID->Error;                       // 简单赋值运算//输出限幅if(s_PID->Result > s_PID->OutMax)s_PID->Result = s_PID->OutMax;else if(s_PID->Result < s_PID->OutMin)s_PID->Result = s_PID->OutMin;return s_PID->Result;
}

4. 积分限幅、输出限幅和PID参数整定

//设置PID输出范围
void  PID_SetOutRange  (PID * s_PID, PID_VAR_TYPE outMax,PID_VAR_TYPE outMin)
{s_PID->OutMax = outMax;s_PID->OutMin = outMin;
}
//设置PID积分范围
void  PID_SetIntegralOutRange(PID * s_PID, PID_VAR_TYPE outMax,PID_VAR_TYPE outMin)
{s_PID->IntegralMax = outMax;s_PID->IntegralMin = outMin;
}

				参数整定找最佳， 从小到大顺序查。先是比例后积分， 最后再把微分加。曲线振荡很频繁， 比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。曲线波动周期长， 积分时间再加长。曲线振荡频率快， 先把微分降下来。动差大来波动慢， 微分时间应加长。理想曲线两个波， 前高后低四比一。一看二调多分析， 调节质量不会低。

5. 位置式PID和增量式PID的区别及抉择

• （1）区别

1. 增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制 量计算的影响较小。而位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累加误差。

2. 增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作 影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。 而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

3. 增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。

4. 在进行PID控制时，位置式PID需要有积分限幅和输出限幅，而增量式PID只需输出限幅

• （2）抉择

1. 位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值；而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关，因此位置式PID控制的累积误差相对更大；
2. 增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。
3. 由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

三、初值获取

关于初值的设定可以根据以下3种方法获取。

1. 定时器输入捕获

定时器A0和A1开捕获模式(双边沿)，分别接俩个电机的A/B相，每发生一个脉冲变化进一次捕获中断，中断里做计数操作。

void TIME()//配置编码电机接口
{TA0CCTL1 = CM_3 | CCIS_0 | SCS | CAP | CCIE; // 捕获比较器1：双边沿捕获模式，捕获 TA0CLK 信号，启用捕获中断TA0CTL = TASSEL_2 | ID_0 | MC_2 | TACLR; // P1OUT=BIT2;时钟源选择 SMCLK，分频系数为 1，计数器模式为连续计数，启用计数器清零P1DIR &=~ BIT2;               //初始化捕获IO口P1SEL |=  BIT2;// 启用 Timer_A 中断和总中断TA0CTL |= TAIE; // 启用 Timer_A 中断__enable_interrupt(); // 启用总中断
}#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR //定时器A中断处理
__interrupt void timer_A0(void)
{switch(TA0IV) //向量查询,读取的话无需手动清零标志位{case 2:             //捕获中断count0++;break;case 10:            //溢出中断break;default:break;}
}

2. 外部中断

将A/B相接外部中断引脚，设置触发模式，每发生一次跳变便进一次中断，中断内做计数操作。

void init_encoders()
{P1DIR &= ~BIT4;          //设置P1.4口为输入P1IN |= BIT4;P1REN |= BIT4;P1OUT |= BIT4;          //配置P1.4上拉电阻P1IE |= BIT4;           //P1.4中断使能P1IES |= BIT4;          //P1.4下降沿触发中断P1IFG &= ~BIT4;        //清除中断标志位_EINT();
}#pragma vector = PORT1_VECTOR
__interrupt void P1_ISR(void)
{_DINT();  //关总中断if (P1IFG & BIT4){count0++;}P1IFG &= ~ BIT4 ;_EINT();  //开总中断
}

3. ADC采样

对电机的输出电压进行采样，可知 电机输出电压范围是 0~12V，所以是不能直接采集的，这时你需串联一个电阻进行分压，然后再将采集到的模拟信号转换为数字信号再根据PWM进行再次转化，最后将处理后的值当作初值运算。

void ADC_Init(void)
{P6SEL |= BIT6;ADC12CTL0 = ADC12ON + ADC12SHT0_8 + ADC12MSC;ADC12CTL1 = ADC12SHP + ADC12CONSEQ_2;ADC12MCTL0 = ADC12SREF_0 + ADC12INCH_6;ADC12CTL0 |= ADC12ENC;ADC12CTL0 |= ADC12SC;_EINT();
}//采样数据转换
float ADC_date()
{float date;date = ADC12MEM0*3.3/4065;return date;
}//采样中断服务函数
#pragma vector = ADC12_VECTOR
__interrupt void ADC12ISR(void)
{......
}