STM32f4日记6之最基础的PID教学（运用TIM定时器的编码器模式实时调节电机速度达到要求值）

STM32f4日记6之最基础的PID教学（运用TIM定时器的编码器模式实时调节电机速度达到要求值）
板子：stm32f407zgt6正点原子迷你版
鉴于目前网上的教学形态各异，很多带有迷惑、误导性质，所以写这篇文章交流自己的看法，也权当纪录自己的学习经历。
作者：shawn
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2021.2.1
22:36
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如果你觉得对你有帮助，请点赞同，这对我很重要，谢谢。
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在这里插入图片描述

一、算法介绍
~~划重点~~
举个栗子：如果给一个电压5V能使一辆车以每秒5m速度前进，那么想让车前进100m，则给电压5V20s就能达到？？？？？？？？？？

这在理论上是可行的，但是现实生活中是绝对不可行的。因为有惯性摩擦等一系列元素的干扰存在，那么我们就要运用一种算法能够实时调节电压使得小车在100m的时候停下，此时速度为0，加速度也为0。完全刹车，所以引入PID算法
PID:
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活
~~·引自百度百科
PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。
在工业过程中，连续控制系统的理想PID控制规律为：
在这里插入图片描述

式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系；
Tt——积分时间常数；
TD——微分时间常数；
u（t）——PID控制器的输出信号；
e（t）——给定值r（t）与测量值之差。
听起来很复杂，简单来说就可以根据目前的状态实时调试达到要求值的一个系统算法
二、C语言的理解
以下是一段C语言的代码，读者可以自行运行以下

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

struct _pid{
    
    
    float SetSpeed;           //定义设定值
    float ActualSpeed;        //定义实际值
    float err;               //定义偏差值
    float err_next;           //定义上一个偏差值
    float err_last;           //定义最上前的偏差值
    float Kp,Ki,Kd;           //定义比例、积分、微分系数
}pid;//此处定义一个结构体pid用来放pid运行过程中必要的参数

void PID_init(){
    
    
    pid.SetSpeed=0.0;
    pid.ActualSpeed=0.0;
    pid.err=0.0;
    pid.err_last=0.0;
    pid.err_next=0.0;
    pid.Kp=0.2;      //KP
    pid.Ki=0.015;    //KI
    pid.Kd=0.2;      //KD
}//初始化pid里面的值

float PID_realize(float speed){
    
    
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;
    float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last);    
     //pid算法的核心
    pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;
    pid.err_last=pid.err_next;
    pid.err_next=pid.err;
    return pid.ActualSpeed;
}

int main(){
    
    
    PID_init();
    int count=0;
    while(count<1000)
    {
    
    
        float speed=PID_realize(200.0);//设定要求值为200.0计算1000次，分别打印出输出的speed值
        printf("%f\n",speed);
        count++;
    }
    return 0;
}

运算的效果如下：

感谢你能翻到这里，
我们分析这么多数据可以观察到一开始输出的speed数据个体差异非常大，
但在pid_realize这个函数的运行下开始逐渐接近目标值200.0
最后相差无几，
而这仅仅是1000次运算的结果，可以想见这个算法的奥秘。
三、PID参数的调节奥秘
众所周知，PID算法核心的三个参数KP,KI,KD。
那么这三个参数到底有什么意义呢？
在这里插入图片描述
本来是个动图。。。。。。。。
我推荐一个视频
https://www.bilibili.com/video/BV1k7411q7HB平衡小车PID理论简单讲解——来自up主<天下行走ㅍ_ㅍ>

https://www.bilibili.com/video/BV1k7411q7HB

平衡小车PID理论简单讲解——来自up主<天下行走ㅍ_ㅍ>
推荐从33:16开始看

KP:提高响应速度，减少静差
KI:减少稳态误差
KD：减少震荡以及超调
这里我就不再过多赘述，读者可自行观看视频了解知识，比较直观
三、运用到STM32工程的PID调速
PID调速基于实时的速度反馈拥有当前速度值之后，我们才能对其进行调节
***TIM定时器的编码器模式***请看我上一篇文章

https://blog.csdn.net/qq_51564898/article/details/113359450

或者点击我头像看，里面有详细的介绍

1.那我们想要进行PID调速首先要有一个current speed
2.然后每隔单位之间将其放入float Velocity函数里面计算PID，
3.输出一个pwm占空比放入TIM_SetCompare函数里调节
4.然后再进行一次运算根据情况再运算再运算再调节再调节
5.直到在目标值±0.0001波动达到我们想要的结果
但是速度环的调节不必动用kp,ki,kd三个，实际上kp,ki就可以解决
下面给出代码：

float Velocity(PIDCONTORLLER *pid,float target,float current)//int Target,int encoder_left,int encoder_right)
{
    
    
	
	float a=0.7;
	
	//1.计算速度偏差
	Encoder_Err=target-current;
	//2.用公式滤波
	//low_out=(1-a)*Ek+a*low_out_last;
	EnC_Err_Lowout=(1-a)*Encoder_Err+a*EnC_Err_Lowout_last;//滤波使得其更加平滑
	EnC_Err_Lowout_last=EnC_Err_Lowout;//赋值
	//3.防止速度过大
	Encoder_S+=EnC_Err_Lowout;
	//4.速度偏差积分
	Encoder_S=Encoder_S>10000?10000:(Encoder_S<(-10000)?(-10000):Encoder_S);
	
	//5.限制幅度
	PWM_out=pid->kp*EnC_Err_Lowout+pid->ki*Encoder_S;//output=(error*pid->kp)+pid->i*pid->ki+deltaerror*pid->kd;公式运算
	return PWM_out;//输出结果
}

请读者务必要浏览我上一篇文章结合起来看
然后，我们在定时器5的中断函数里这样写：

void TIM5_IRQHandler(void)                        
{
    
    
	if(TIM_GetITStatus(TIM5,TIM_IT_Update)==SET)    
	{
    
      
		encode=Read_Encoder();                          //读速度
		printf("电机脉冲为%d\r\n",encode);
		speed=(float)(encode*1.0/(13*90*0.05));
		printf("电机速度为%.4f\r\n",speed);		
		if(fabs(target-speed)>1e-2)//进行调速
		{
    
    
		PIDspeedout=(int)Velocity(&PID_control_speed,target,speed);//PID调速
		Limit(&PIDspeedout);//限制占空比不能大于8400
			printf("输出的占空比为（最大8400）%d\r\n",PIDspeedout);
		Load(PIDspeedout);//将其放入setcompare函数
		}
	}
	TIM_ClearITPendingBit(TIM5,TIM_IT_Update);        
}

KP.KI,KD三个参数要读者根据自己电机的参数debug里面一次次调节才能确定，请记得务必每次调试将
Encoder_S,
EnC_Err_Lowout_last,
PWM_out,
Encoder_Err,
EnC_Err_Lowout
清零
四、思考
如何编写位置环的PID调节
如何用编码器获知此时电机的位置信息

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