通用定时器 PWM 输出实验
一、什么是开环系统？
在没有引入PID时，我们控制速度的系统是一个开环系统，控制电机的速度一般是通过控制PWM的占空比来控速。
我们需要目标速度，就一步一步的去尝试，速度慢了，就加大占空比，快了，就减小占空比，但是在实际尝试的过程中，我发现，很难人为控制占空比得到一个很精确的速度。
这个开环系统就是，设置占空比–>得到电机转速–>根据电机转速来判断占空比是否应该减小OR增大–>调整占空比
二、什么是PID？
PID：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。
用一句话来说，就是对输入偏差进行积分微分计算，用运算的叠加结果去控制执行机构
听起来很简单吧，一句话就讲完了。
啊😥，要是这么简单就好了。来看看下面的图，就是一个基本的PID控制框图
这就是形成了一个闭环系统，r(t)是输入量，u(t)是输出量
贴一篇链接：
一文读懂PID控制算法（抛弃公式，从原理上真正理解PID控制）
大家可以康康看，好好理解
KP，KI，KD三个参数的作用
KP增加时，响应速度变快，当Ki增加时，能最终趋于目标值，KD增加时，可以减小震荡。
P:比例控制系统快速响应，快速接近于目标值，但是存在静态误差，输出到达不了目标值，会有误差。
I:积分控制系统的准确性，消除累积的误差，输出到达目标值
D:微分控制系统的稳定性，具有超前的控制作用，防止输出超过目标
大家理解这三个参数的作用，这样在调参的时候就会很快，是加大还是减小参数。
三、PID算法的离散化
1、什么是位置式PID？
这方面我就不大写阔论了，好多大佬都比我讲的好，我在这里贴出几个链接，大家可以参考
增量式pid+位置式PID（电机位置闭环控制）
位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法
这个大佬的教程也很不错，我也学习了很久，顿悟了很多
而且这个大佬的教程是一系列的，大家可以有选择的学习
PID-电机速度控制-B
电机控制进阶——PID速度控制–CSDN
如果大家不理解位置式PID公式的话，可以首先了解如何使用，如何调参，如何使用PID进行闭环控制，这里以速度为例
大家可以看我下面位置式PID的实现,我直接给出了源代码，大家可以参考
位置式是离散型的PID,大家记住比例Kp,积分Ki,微分Kd这三个参数的作用，再就是位置式的代码化实现
2、位置式PID实现
pid.h
#ifndef __PID_H#define __PID_H#include "sys.h"typedef struct{float target_val; //目标值float err; //偏差值float err_last; //上一个偏差值float Kp,Ki,Kd; //比例、积分、微分系数float integral; //积分值float output_val; //输出值}PID;extern PID pid;
pid.h
#include "pid.h"#include "encoder.h"//位置式 有误差，速度比较慢PID pid;void PID_param_init(void){/* 初始化参数 */pid.err=0.0;pid.err_last=0.0;pid.integral=0.0; //积分项pid.Kp=15.0; //最优pid.Ki=1.0; //0.05 0.1 p 15.0 i 0.1 kd 2.5pid.Kd=1.5; //调节成功 p 25.0 i 0.03 kd 0.025//kd 4.0 最大 15 1.0 1.5pid.target_val = 26; //目标值pid.output_val=0.0; //输出值}//位置式pid 传入实际值即可float PID_realize(float actual_val){/*计算目标值与实际值的误差*/pid.err = pid.target_val - actual_val; //目标值和实际值的误差/*积分项*/pid.integral += pid.err; //误差累积/*PID算法实现*/pid.output_val = pid.Kp * pid.err +pid.Ki * pid.integral +pid.Kd * (pid.err - pid.err_last); //位置式/*误差传递*/pid.err_last = pid.err;/*返回当前实际值*/return pid.output_val;}
还有一种位置
3、什么是增量式PID？
关于这个增量式PID大家可以参考下面的链接，好好学习，大佬还是讲的很明白的
电机速度环和位置环PID调参教程–B站
【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)_32 hal库将pid坐标转换化为角度_Hz1213825的博客-CSDN博客
4、增量式PID实现
一般使用增量式PI就可以控制住速度了，所以我们采用增量式PI控制速度，闭环速度环，大家可以参考下面的代码，传入目标值和当前值，输出PI运算后的输出
进行PI调参，进而控制电机速度
// 速度环pi控制 使用增量式/**************************************************************************函数功能：增量PI控制器入口参数：编码器测量值，目标速度返回 值：电机PWM根据增量式离散PID公式out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推out代表增量输出在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)**************************************************************************/int Incremental_PI(int Encoder, int Target){float Kp = 10.0, Ki = 1;static int error, out, err_last; // 误差 输出 上一次误差error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。err_last = error; // 保存上一次偏差return out; // 增量输出}
四、采用VOFA+调试PID
参考我的这一篇文章：如何使用VOFA+？一款好用的上位机软件(VOFA+的三种数据传输协议）——以PID调参为例
大家可以选择firewater协议格式或者justfloat协议格式,这两种协议都可以显示数据的波形，可以一边调参，一边查看曲线，再修改参数，直至达到目标值为止。
firewater协议格式
我做出个示例
使用firewater协议格式，可以是任何类型的数据，但是以逗号隔开，最后必须以\n结尾，这样在上位机中就可以显示出波形了
下方分别代表当前速度，目标速度，输出
printf("%f,%f,%f\n",current,target,out); //脉冲，目标值，outjustfloat协议格式
如果这种协议不懂得话
大家可以直接使用我编写的库，简单好用
vofa.c
/*要点提示:1. float和unsigned long具有相同的数据结构长度2. union据类型里的数据存放在相同的物理空间*/typedef union{float fdata;unsigned long ldata;} FloatLongType;/*将浮点数f转化为4个字节数据存放在byte[4]中*/void Float_to_Byte(float f,unsigned char byte[]){FloatLongType fl;fl.fdata=f;byte[0]=(unsigned char)fl.ldata;byte[1]=(unsigned char)(fl.ldata>>8);byte[2]=(unsigned char)(fl.ldata>>16);byte[3]=(unsigned char)(fl.ldata>>24);}void JustFloat_Test(void) //justfloat 数据协议测试{float a=1,b=2; //发送的数据 两个通道u8 byte[4]={0}; //float转化为4个字节数据u8 tail[4]={0x00, 0x00, 0x80, 0x7f}; //帧尾//向上位机发送两个通道数据Float_to_Byte(a,byte);//u1_printf("%f\r\n",a);u1_SendArray(byte,4); //1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3FFloat_to_Byte(b,byte);u1_SendArray(byte,4); //2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40//发送帧尾u1_SendArray(tail,4); //帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}//向vofa发送数据 三个数据 三个通道 可视化显示 帧尾void vofa_sendData(float a,float b,float c){//float a=1,b=2; //发送的数据 两个通道u8 byte[4]= {0}; //float转化为4个字节数据u8 tail[4]= {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f}; //帧尾//向上位机发送两个通道数据Float_to_Byte(a,byte);//u1_printf("%f\r\n",a);u1_SendArray(byte,4); //1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3FFloat_to_Byte(b,byte);u1_SendArray(byte,4); //2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40Float_to_Byte(c,byte);u1_SendArray(byte,4);//发送帧尾u1_SendArray(tail,4); //帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}
使用
void vofa_sendData(float a,float b,float c) //a,b,c代表三个通道波形五、目前
我要实现的是速度环和位置闭环，我现在首先目标是单环控制，首先速度环，然后位置环
速度环采用增量式PI控制，位置环采用位置式PID控制
速度环没问题（在这里无论是位置式还是增量式都实现了进行速度控制，这里建议增量式PI）
但是目前位置式PID控制位置环出现了点问题，当我调参的时候，无论目标速度调成多大，电机的转速总是会趋近于最大转速，目前这个问题还未解决,暂定
大家可以参考我的代码，采用VOFA+上位机显示调参波形，根据波形进行调参，希望可以帮助到大家。
我只贴出主要控制代码
/** @Author: _oufen* @Date: 2023-03-31 18:23:31* @LastEditTime: 2023-04-01 19:34:31* @Description:*/#include "timer4.h"#include "led.h"#include "encoder.h"#include "motor.h"#include "vofa.h"#include "usart.h"// int encoder_speed; // 实际速度 近似脉冲// int target_speed = 30; // 目标速度 每10ms 30个脉冲// int Moto1; // 轮子输出值int encoder_position;int target_position = 13;int Moto1;void Timer4_Init(u16 psc, u16 arr) // Timer4_Init(7200-1,1000-1);{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);TIM_DeInit(TIM4); // 定时器4恢复默认设置// MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_6,GPIO_Mode_AF_PP);// MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_7,GPIO_Mode_AF_PP);// MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_8,GPIO_Mode_AF_PP);// MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_9,GPIO_Mode_AF_PP);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); // 清除更新中断请求位TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);}// 向vofa发送数据 三个数据 三个通道 可视化显示 帧尾void vofa_sendData(float a, float b, float c){u8 byte[4] = {0}; // float转化为4个字节数据u8 tail[4] = {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f}; // 帧尾// 向上位机发送两个通道数据Float_to_Byte(a, byte);// u1_printf("%f\r\n",a);u1_SendArray(byte, 4); // 1转化为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x80 0x3FFloat_to_Byte(b, byte);u1_SendArray(byte, 4); // 2转换为4字节数据 就是 0x00 0x00 0x00 0x40Float_to_Byte(c, byte);u1_SendArray(byte, 4);// 发送帧尾u1_SendArray(tail, 4); // 帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f}// 速度环pi控制 使用增量式/**************************************************************************函数功能：增量PI控制器入口参数：编码器测量值，目标速度返回 值：电机PWM根据增量式离散PID公式out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推out代表增量输出在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)**************************************************************************/int Incremental_PI(int Encoder, int Target){float Kp = 10.0, Ki = 1;static int error, out, err_last; // 误差 输出 上一次误差error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。err_last = error; // 保存上一次偏差return out; // 增量输出}/**************************************************************************函数功能：位置式PID控制器入口参数：编码器测量位置信息，目标位置返回 值：电机PWM根据位置式离散PID公式out=Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd[e（k）-e(k-1)]e(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差∑e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累积和;其中k为1,2,,k;out代表输出**************************************************************************/int Position_PID(int Encoder, int Target){float Position_KP = 15, Position_KI = 0.1, Position_KD = 0.1; // pidstatic float error, out, Integral_error, error_last; // 误差 输出 积分 上一次误差error = Encoder - Target; // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。Integral_error += error; // 求出偏差的积分out = Position_KP * error + Position_KI * Integral_error + Position_KD * (error - error_last); // 位置式PID控制器error_last = error; // 保存上一次偏差return out; // 增量输出}int myabs(int a){int temp;if (a < 0)temp = -a;elsetemp = a;return temp;}void Set_pwm(int pwm){if (pwm > 0)AIN1 = 0, AIN2 = 1;elseAIN1 = 1, AIN2 = 0;PWMA = myabs(pwm); //PWMA --> TIM1->CCR1}void Xianfu_Pwm(void){int Amplitude = 99;if (Moto1 < -Amplitude)Moto1 = -Amplitude;if (Moto1 > Amplitude)Moto1 = Amplitude;}// 定时器定时调用/*void AutoReloadCallback(){encoder_speed += Read_Encoder(2); // 读取真实速度//printf("Encoder = %d\r\n", encoder_speed);Moto1 = Incremental_PI(encoder_speed, target_speed); // PID计算Xianfu_Pwm(); // 对输出进行限幅// printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA);Set_pwm(Moto1);vofa_sendData(encoder_speed, target_speed, PWMA); // 向上位机发送数据}*/void AutoReloadCallback(){encoder_position = Read_Encoder(2); // 读取真实速度//printf("Encoder = %d\r\n", encoder_position);Moto1 = Position_PID(encoder_position, target_position); // PID计算Xianfu_Pwm(); // 对输出进行限幅// printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA);Set_pwm(Moto1);vofa_sendData(encoder_position, target_position, PWMA); // 向上位机发送数据}void TIM4_IRQHandler(void) // 10ms{if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET){AutoReloadCallback(); // 定时调用TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);LED1 = !LED1;}}