一文搞定PID！嵌入式STM32-PID位置环和速度环

在嵌入式系统开发中，PID控制器因其简单有效而被广泛应用。本文将详细介绍如何在STM32微控制器上实现PID控制，包括位置环和速度环的PID算法及其代码实现。

PID基础知识

PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成，通过调整这三个参数，可以对系统进行精确控制。PID算法的基本公式如下：

[ u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt} ]

其中，( u(t) )是控制器输出，( e(t) )是偏差（期望值与实际值之差），( K_p )、( K_i )和( K_d )分别是比例、积分和微分增益。

位置环PID

位置环PID控制通常用于需要精确位置控制的场合，如电机控制。在位置环PID中，控制器输出直接对应于被控对象的位置。

位置环PID代码示例

typedef struct _PID {float Kp;         // 比例系数float Ki;         // 积分系数float Kd;         // 微分系数float pre_error;  // 上一次的误差float integral;   // 误差积分
} PID;// PID初始化
void PID_Init(PID *pid, float Kp, float Ki, float Kd) {pid->Kp = Kp;pid->Ki = Ki;pid->Kd = Kd;pid->pre_error = 0.0;pid->integral = 0.0;
}// PID计算
float PID_Calc(PID *pid, float setpoint, float actual) {float error = setpoint - actual;  // 计算偏差pid->integral += error;           // 积分项累加float derivative = error - pid->pre_error;  // 计算微分项float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;  // 计算输出pid->pre_error = error;  // 更新上一次的误差return output;
}

速度环PID

速度环PID控制通常用于需要精确速度控制的场合，如电机调速。在速度环PID中，控制器输出对应于被控对象的速度。

速度环PID代码示例

typedef struct _SpeedPID {float Kp;         // 比例系数float Ki;         // 积分系数float Kd;         // 微分系数float pre_error;  // 上一次的误差float integral;   // 误差积分
} SpeedPID;// 速度环PID初始化
void SpeedPID_Init(SpeedPID *spid, float Kp, float Ki, float Kd) {spid->Kp = Kp;spid->Ki = Ki;spid->Kd = Kd;spid->pre_error = 0.0;spid->integral = 0.0;
}// 速度环PID计算
float SpeedPID_Calc(SpeedPID *spid, float setpoint, float actual) {float error = setpoint - actual;  // 计算偏差spid->integral += error;          // 积分项累加float derivative = error - spid->pre_error;  // 计算微分项float output = spid->Kp * error + spid->Ki * spid->integral + spid->Kd * derivative;  // 计算输出spid->pre_error = error;  // 更新上一次的误差return output;
}

串级PID

在某些应用中，可能需要同时使用位置环和速度环，这时可以使用串级PID控制。在串级PID中，位置环的输出作为速度环的输入。

串级PID代码示例

typedef struct _CascadePID {PID position_pid;  // 位置环PIDPID speed_pid;     // 速度环PID
} CascadePID;// 串级PID初始化
void CascadePID_Init(CascadePID *cascade_pid, float Kp, float Ki, float Kd) {PID_Init(&cascade_pid->position_pid, Kp, Ki, Kd);PID_Init(&cascade_pid->speed_pid, Kp, Ki, Kd);
}// 串级PID计算
float CascadePID_Calc(CascadePID *cascade_pid, float position_setpoint, float speed_setpoint, float actual_position, float actual_speed) {float position_error = position_setpoint - actual_position;float speed_error = speed_setpoint - actual_speed;float position_output = PID_Calc(&cascade_pid->position_pid, position_setpoint, actual_position);float speed_output = PID_Calc(&cascade_pid->speed_pid, speed_setpoint, actual_speed);return position_output + speed_output;  // 输出为位置环和速度环输出的和
}