电机控制进阶之PID串级控制方法（串级pid控制周期）

 

串级PID结构图PID串级控制的典型结构为位置环+速度环+电流环，如下图PID串级控制中，最外环是输入是整个控制系统的期望值，外环PID的输出值是内环PID的期望值能够使用三环控制的前提是要硬件支持，比如位置环和速度环需要实时的电机转动位置和转动速度作为反馈，这就需要电机需要配有编码器用于测速与测量转动的位置；电流环需要有电流采样电路来实时获取电机的电流作为反馈。

如果没有电流采样电路，可以将电流环去掉，只使用位置环+速度环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节转动的速度。

另外，如果只是想控制电机转速实现电机调速，可以使用速度环+电流环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节电机的电流，增强系统转动调节的抗干扰能力。

位置环+速度环实践由于我的电机没有电流测量电路，所以，本文以位置环+速度环来学习PID串级控制。就是按照下面这个图：

PID参数定义由于是串级PID控制，每一级的PID都要有自己的参数，本次实验使用位置PID+速度PID，参数定义如下：/*定义位置PID与速度PID结构体型的全局变量*/PIDpid_location;

PIDpid_speed;/***@briefPID参数初始化*@note无*@retval无*/voidPID_param_init(){/*位置相关初始化参数*/pid_location.target_val

=TOTAL_RESOLUTION*10;pid_location.output_val=0.0;pid_location.err=0.0;pid_location.err_last=0.0;pid_location.integral

=0.0;pid_location.Kp=0.05;pid_location.Ki=0;pid_location.Kd=0;/*速度相关初始化参数*/pid_speed.target_val=10.0;

pid_speed.output_val=0.0;pid_speed.err=0.0;pid_speed.err_last=0.0;pid_speed.integral=0.0;pid_speed.Kp

=80.0;pid_speed.Ki=2.0;pid_speed.Kd=100.0;}位置PID的实现这里有两点需要注意：闭环死区的设定闭环死区是指执行机构的最小控制量，无法再通过调节来满足控制精度，如果仍然持续调节，系统则会在目标值前后频繁动作，不能稳定下来。

比如某个系统的控制精度是1，但目标值需要是1.5，则无论怎么调节，最终的结果只能控制在 1或 2，始终无法达到预设值这 1.5L小数点后的范围，就是闭环死区，系统是无法控制的，误差会一直存在，容易发生震荡现象。

对应精度要求不高的系统，可以设定闭环死区，比如将允许的误差范围设为0.5，则最终结果在 1或 2都认为是没有误差，这时将目标值 与实际值之差强制设为 0，认为没有误差，即限定了闭环死区积分分离的设定通过

积分分离的方式来实现抗积分饱和，积分饱和是指执行机构达到极限输出能力了，仍无法到达目标值，在很长一段时间内无法消除静差造成的例如，PWM输出到了100%，仍达不到期望位置，此时若一直进行误差累加，在一段时间后， PID 的积分项累计了很大的数值，。

如果这时候到达了目标值或者重新设定了目标值，由于积分由于累计的误差很大，系统并不能立即调整到目标值，可能造成超调或失调的现象解决积分饱和的一种方法是使用积分分离，该方法是在累计误差小于某个阈值才使用积分项，累计误差过大则不再继续累计误差，相当于只使用了PD控制器。

控制流程图带有闭环死区与积分分离的PID控制流程如下图：

完整的位置PID代码如下：/** * @brief 位置PID算法实现 * @param actual_val:实际值 * @note 无 * @retval 通过PID计算后的输出 */

#define LOC_DEAD_ZONE 60 /*位置环死区*/#define LOC_INTEGRAL_START_ERR 200 /*积分分离时对应的误差范围*/#define LOC_INTEGRAL_MAX_VAL 800 /*积分范围限定，防止积分饱和*/

float location_pid_realize(PID *pid, float actual_val) { /*计算目标值与实际值的误差*/ pid->err = pid->target_val - actual_val;

/* 设定闭环死区 */if((pid->err >= -LOC_DEAD_ZONE) && (pid->err err = 0; pid->integral =

0; pid->err_last = 0; } /*积分项，积分分离，偏差较大时去掉积分作用*/if(pid->err > -LOC_INTEGRAL_START_ERR && pid->err integral += pid->err;

/*积分范围限定，防止积分饱和*/if(pid->integral > LOC_INTEGRAL_MAX_VAL) { pid->integral = LOC_INTEGRAL_MAX_VAL; }

elseif(pid->integral integral = -LOC_INTEGRAL_MAX_VAL; } }

/*PID算法实现*/ pid->output_val = pid->Kp * pid->err + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * (pid->err - pid->err_last);

/*误差传递*/ pid->err_last = pid->err; /*返回当前实际值*/return pid->output_val; } 速度PID实现速度PID的实现代码与位置PID的类似：

/** * @brief 速度PID算法实现 * @param actual_val:实际值 * @note 无 * @retval 通过PID计算后的输出 */#define SPE_DEAD_ZONE 5.0f /*速度环死区*/

#define SPE_INTEGRAL_START_ERR 100 /*积分分离时对应的误差范围*/#define SPE_INTEGRAL_MAX_VAL 260 /*积分范围限定，防止积分饱和*/

float speed_pid_realize(PID *pid, float actual_val) { /*计算目标值与实际值的误差*/ pid->err = pid->target_val - actual_val;

/* 设定闭环死区 */if( (pid->err>-SPE_DEAD_ZONE) && (pid->errerr = 0; pid->integral =

0; pid->err_last = 0; } /*积分项，积分分离，偏差较大时去掉积分作用*/if(pid->err > -SPE_INTEGRAL_START_ERR && pid->err integral += pid->err;

/*积分范围限定，防止积分饱和*/if(pid->integral > SPE_INTEGRAL_MAX_VAL) { pid->integral = SPE_INTEGRAL_MAX_VAL; }

elseif(pid->integral integral = -SPE_INTEGRAL_MAX_VAL; } }

/*PID算法实现*/ pid->output_val = pid->Kp * pid->err + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd *(pid->err - pid->err_last);

/*误差传递*/ pid->err_last = pid->err; /*返回当前实际值*/return pid->output_val; } 串级控制代码//周期定时器的回调函数voidAutoReloadCallback

(){ staticuint32_t location_timer = 0; // 位置环周期static __IO int encoderNow = 0; /*当前时刻总计数值*/static

__IO int encoderLast = 0; /*上一时刻总计数值*/int encoderDelta = 0; /*当前时刻与上一时刻编码器的变化量*/float actual_speed =

0; /*实际测得速度*/int actual_speed_int = 0; int res_pwm = 0;/*PID计算得到的PWM值*/ staticint i=0; /*【1】读取编码器的值*/

encoderNow = read_encoder() + EncoderOverflowCnt*ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/ encoderDelta = encoderNow - encoderLast;

/*得到变化值*/ encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累计值*//*【2】位置PID运算，得到PWM控制值*/if ((location_timer++ % 2) ==

0) { float control_val = 0; /*当前控制值*//*位置PID计算*/ control_val = location_pid_realize(&pid_location, encoderNow);

/*目标速度值限制*/ speed_val_protect(&control_val); /*设定速度PID的目标值*/ set_pid_target(&pid_speed, control_val); }

/* 转速(1秒钟转多少圈)=单位时间内的计数值/总分辨率*时间系数, 再乘60变为1分钟转多少圈 */ actual_speed = (float)encoderDelta / TOTAL_RESOLUTION *

10 * 60; /*【3】速度PID运算，得到PWM控制值*/ actual_speed_int = actual_speed; res_pwm = pwm_val_protect((

int)speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed)); /*【4】PWM控制电机*/ set_motor_rotate(res_pwm); /*【5】数据上传到上位机显示*/

set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1); /*给通道1发送实际的电机【位置】值*/ } PID的计算是通过定时器调用，每10ms一次，从代码中可以看到，内环（速度PID）控制的周期要比外环（位置PID）的周期短，位置PID是每两次循环计算一次，因为内环控制着最终的输出，这个输出对应的就是实际场景中的控制量 (本实验最终控制的是位置)，位置是无法突变，是需要时间积累的，所以内环输出尽可能快些。