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寫給新手：如何寫一個標準的PID算法

來源：東莞市維技電子有限公司   2018年04月20日 17:54  

寫在前面的話：
這是我收藏的一個典型的PID處理程序，包含了zui常用的PID算法的基本架構，沒有包含輸入輸出處理部分。適合新手了解PID結構，入門學習用。

注意：
使用不同的MCU的時候，需要進行相應的簡化和改寫。而且由于單片機的處理速度和ram資源的限制，一般不采用浮點數運算。而將所有參數全部用整數，運算到zui后再除以一個2的N次方數據（相當于移位），作類似定點數運算。這樣可大大提高運算速度，根據控制精度的不同要求，當精度要求很高時，注意保留移位引起的“余數”，做好余數補償就好了。

廢話不多說，下面上程序

  1. #Include<reg51.h>
  2. #Include<intrins.h>
  3. #Include<math.h>
  4. #Include<string.h>
  5. struct PID {
  6.         unsigned int SetPoint; // 設定目標 Desired Value
  7.         unsigned int Proportion; // 比例常數 Proportional Const
  8.         unsigned int Integral; // 積分常數 Integral Const
  9.         unsigned int Derivative; // 微分常數 Derivative Const
  10.         unsigned int LastError; // Error[-1]
  11.         unsigned int PrevError; // Error[-2]
  12.         unsigned int SumError; // Sums of Errors
  13.         };
  14. struct PID spid; // PID Control Structure
  15. unsigned int rout; // PID Response (Output)
  16. unsigned int rin; // PID Feedback (Input)
  17. sbit data1=P1^0;
  18. sbit clk=P1^1;
  19. sbit plus=P2^0;
  20. sbit subs=P2^1;
  21. sbit stop=P2^2;
  22. sbit output=P3^4;
  23. sbit DQ=P3^3;
  24. unsigned char flag,flag_1=0;
  25. unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比調節(jié)參數
  26. unsigned char set_temper=35;
  27. unsigned char temper;
  28. unsigned char i;
  29. unsigned char j=0;
  30. unsigned int s;
  31.         /***********************************************************
  32.         延時子程序,延時時間以12M晶振為準,延時時間為30us×time
  33.         ***********************************************************/
  34. void delay(unsigned char time)
  35.         {
  36.             unsigned char m,n;
  37.             for(n=0;n<time;n++)
  38.             for(m=0;m<2;m++){}
  39.         }
  40.         /***********************************************************
  41.         寫一位數據子程序
  42.         ***********************************************************/
  43. void write_bit(unsigned char bitval)
  44. {
  45.           EA=0;
  46.           DQ=0; /*拉低DQ以開始一個寫時序*/
  47.         if(bitval==1)
  48.         {
  49.           _nop_();
  50.           DQ=1; /*如要寫1，則將總線置高*/
  51.         }
  52.          delay(5); /*延時90us供DA18B20采樣*/
  53.          DQ=1; /*釋放DQ總線*/
  54.         _nop_();
  55.         _nop_();
  56.         EA=1;
  57. }
  58.         /***********************************************************
  59.         寫一字節(jié)數據子程序
  60.         ***********************************************************/
  61. void write_byte(unsigned char val)
  62. {
  63.             unsigned char i;
  64.             unsigned char temp;
  65.             EA=0;
  66.             TR0=0;
  67.         for(i=0;i<8;i++) /*寫一字節(jié)數據，一次寫一位*/
  68.         {
  69.           temp=val>>i; /*移位操作，將本次要寫的位移到zui低位*/
  70.           temp=temp&1;
  71.           write_bit(temp); /*向總線寫該位*/
  72.         }
  73.           delay(7); /*延時120us后*/
  74.         // TR0=1;
  75.           EA=1;
  76. }
  77.         /***********************************************************
  78.         讀一位數據子程序
  79.         ***********************************************************/
  80. unsigned char read_bit()
  81. {
  82.         unsigned char i,value_bit;
  83.         EA=0;
  84.         DQ=0; /*拉低DQ，開始讀時序*/
  85.         _nop_();
  86.         _nop_();
  87.         DQ=1; /*釋放總線*/
  88.         for(i=0;i<2;i++){}
  89.         value_bit=DQ;
  90.         EA=1;
  91.         return(value_bit);
  92. }
  93.         /***********************************************************
  94.         讀一字節(jié)數據子程序
  95.         ***********************************************************/
  96. unsigned char read_byte()
  97. {
  98.         unsigned char i,value=0;
  99.         EA=0;
  100.         for(i=0;i<8;i++)
  101.         {
  102.         if(read_bit()) /*讀一字節(jié)數據，一個時序中讀一次，并作移位處理*/
  103.         value|=0x01<<i;
  104.         delay(4); /*延時80us以完成此次都時序，之后再讀下一數據*/
  105.         }
  106.         EA=1;
  107.         return(value);
  108. }
  109.         /***********************************************************
  110.         復位子程序
  111.         ***********************************************************/
  112. unsigned char reset()
  113. {
  114.         unsigned char presence;
  115.         EA=0;
  116.         DQ=0; /*拉低DQ總線開始復位*/
  117.         delay(30); /*保持低電平480us*/
  118.         DQ=1; /*釋放總線*/
  119.         delay(3);
  120.         presence=DQ; /*獲取應答信號*/
  121.         delay(28); /*延時以完成整個時序*/
  122.         EA=1;
  123.         return(presence); /*返回應答信號，有芯片應答返回0,無芯片則返回1*/
  124. }
  125.         /***********************************************************
  126.         獲取溫度子程序
  127.         ***********************************************************/
  128. void get_temper()
  129. {
  130.         unsigned char i,j;
  131.         do
  132.         {
  133.            i=reset(); /*復位*/
  134.         }  while(i!=0); /*1為無反饋信號*/
  135.             i=0xcc; /*發(fā)送設備定位命令*/
  136.            write_byte(i);
  137.            i=0x44; /*發(fā)送開始轉換命令*/
  138.            write_byte(i);
  139.            delay(180); /*延時*/
  140.         do
  141.         {
  142.            i=reset(); /*復位*/
  143.         }  while(i!=0);
  144.            i=0xcc; /*設備定位*/
  145.            write_byte(i);
  146.            i=0xbe; /*讀出緩沖區(qū)內容*/
  147.            write_byte(i);
  148.            j=read_byte();   
  149.            i=read_byte();
  150.            i=(i<<4)&0x7f;
  151.            s=(unsigned int)(j&0x0f);            //得到小數部分
  152.            s=(s*100)/16;
  153.            j=j>>4;
  154.            temper=i|j; /*獲取的溫度放在temper中*/
  155.         }
  156.         /*====================================================================================================
  157.         Initialize PID Structure
  158.         =====================================================================================================*/
  159. void PIDInit (struct PID *pp)
  160. {
  161.         memset ( pp,0,sizeof(struct PID));           //全部初始化為0
  162. }
  163.         /*====================================================================================================
  164.         PID計算部分
  165.         =====================================================================================================*/
  166. unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint )
  167. {
  168.         unsigned int dError,Error;
  169.         Error = pp->SetPoint - NextPoint;          // 偏差           
  170.         pp->SumError += Error;                     // 積分                                   
  171.         dError = pp->LastError - pp->PrevError;    // 當前微分  
  172.         pp->PrevError = pp->LastError;                           
  173.         pp->LastError = Error;                                       
  174.         return (pp->Proportion * Error             // 比例項           
  175.         + pp->Integral * pp->SumError              // 積分項
  176.         + pp->Derivative * dError);                // 微分項
  177. }
  178.         /***********************************************************
  179.         溫度比較處理子程序
  180.         ***********************************************************/
  181. void compare_temper()
  182. {
  183.         unsigned char i;
  184.         if(set_temper>temper)      //是否設置的溫度大于實際溫度
  185.         {
  186.            if(set_temper-temper>1)         //設置的溫度比實際的溫度是否是大于1度
  187.           {
  188.            high_time=100;                     //如果是，則全速加熱
  189.            low_time=0;
  190.           }
  191.        else                                         //如果是在1度范圍內，則運行PID計算
  192.           {
  193.             for(i=0;i<10;i++)
  194.           {
  195.             get_temper();                          //獲取溫度
  196.             rin = s; // Read Input
  197.             rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
  198.           }
  199.             if (high_time<=100)
  200.               high_time=(unsigned char)(rout/800);
  201.             else
  202.           high_time=100;
  203.               low_time= (100-high_time);
  204.           }
  205.         }
  206.         else if(set_temper<=temper)
  207.         {
  208.            if(temper-set_temper>0)
  209.           {
  210.             high_time=0;
  211.             low_time=100;
  212.           }
  213.            else
  214.           {
  215.              for(i=0;i<10;i++)
  216.            {
  217.          get_temper();
  218.          rin = s; // Read Input
  219.              rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
  220.            }
  221.              if (high_time<100)
  222.               high_time=(unsigned char)(rout/10000);
  223.              else
  224.               high_time=0;
  225.               low_time= (100-high_time);
  226.           }
  227.         }
  228.         // else
  229.         // {}
  230. }
  231.         /*****************************************************
  232.         T0中斷服務子程序，用于控制電平的翻轉 ,40us*100=4ms周期
  233.         ******************************************************/
  234. void serve_T0() interrupt 1 using 1
  235. {
  236.         if(++count<=(high_time))
  237.         output=1;
  238.         else if(count<=100)
  239.         {
  240.         output=0;
  241.         }
  242.         else
  243.         count=0;
  244.         TH0=0x2f;
  245.         TL0=0xe0;
  246. }
  247.         /*****************************************************
  248.         串行口中斷服務程序，用于上位機通訊
  249.         ******************************************************/
  250. void serve_sio() interrupt 4 using 2
  251. {
  252.         /* EA=0;
  253.         RI=0;
  254.         i=SBUF;
  255.         if(i==2)
  256.         {
  257.         while(RI==0){}
  258.         RI=0;
  259.         set_temper=SBUF;
  260.         SBUF=0x02;
  261.         while(TI==0){}
  262.         TI=0;
  263.         }
  264.         else if(i==3)
  265.         {
  266.         TI=0;
  267.         SBUF=temper;
  268.         while(TI==0){}
  269.         TI=0;
  270.         }
  271.         EA=1; */
  272. }
  273. void disp_1(unsigned char disp_num1[6])
  274. {
  275.         unsigned char n,a,m;
  276.         for(n=0;n<6;n++)
  277.         {
  278.         // k=disp_num1[n];
  279.          for(a=0;a<8;a++)
  280.          {
  281.             clk=0;
  282.           m=(disp_num1[n]&1);
  283.           disp_num1[n]=disp_num1[n]>>1;
  284.           if(m==1)
  285.            data1=1;
  286.           else
  287.            data1=0;
  288.            _nop_();
  289.            clk=1;
  290.            _nop_();
  291.          }
  292.         }
  293. }
  294.         /*****************************************************
  295.         顯示子程序
  296.         功能：將占空比溫度轉化為單個字符，顯示占空比和測得到的溫度
  297.         ******************************************************/
  298. void display()
  299. {
  300.         unsigned char code number[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6};
  301.         unsigned char disp_num[6];
  302.         unsigned int k,k1;
  303.         k=high_time;
  304.         k=k%1000;
  305.         k1=k/100;
  306.         if(k1==0)
  307.         disp_num[0]=0;
  308.         else
  309.         disp_num[0]=0x60;
  310.         k=k%100;
  311.         disp_num[1]=number[k/10];
  312.         disp_num[2]=number[k%10];
  313.         k=temper;
  314.         k=k%100;
  315.         disp_num[3]=number[k/10];
  316.         disp_num[4]=number[k%10]+1;
  317.         disp_num[5]=number[s/10];
  318.         disp_1(disp_num);
  319. }
  320.         /***********************************************************
  321.         主程序
  322.         ***********************************************************/
  323. void main()
  324. {
  325.         unsigned char z;
  326.         unsigned char a,b,flag_2=1,count1=0;
  327.         unsigned char phil[]={2,0xce,0x6e,0x60,0x1c,2};
  328.         TMOD=0x21;
  329.         TH0=0x2f;
  330.         TL0=0x40;
  331.         SCON=0x50;
  332.         PCON=0x00;
  333.         TH1=0xfd;
  334.         TL1=0xfd;
  335.         PS=1;
  336.         EA=1;
  337.         EX1=0;
  338.         ET0=1;
  339.         ES=1;
  340.         TR0=1;
  341.         TR1=1;
  342.         high_time=50;
  343.         low_time=50;
  344.         PIDInit ( &spid );    // Initialize Structure
  345.         spid.Proportion = 10; // Set PID Coefficients  比例常數 Proportional Const
  346.         spid.Integral = 8;    //積分常數 Integral Const
  347.         spid.Derivative =6;   //微分常數 Derivative Const
  348.         spid.SetPoint = 100; // Set PID Setpoint 設定目標 Desired Value
  349.         while(1)
  350. {
  351.         if(plus==0)
  352. {
  353.         EA=0;
  354.         for(a=0;a<5;a++)
  355.         for(b=0;b<102;b++){}
  356.         if(plus==0)
  357.   {
  358.         set_temper++;
  359.         flag=0;
  360.   }
  361. }
  362.         else if(subs==0)
  363.   {
  364.         for(a=0;a<5;a++)
  365.         for(b=0;a<102;b++){}
  366.         if(subs==0)
  367.         {
  368.          set_temper--;
  369.          flag=0;
  370.         }
  371.   }
  372.         else if(stop==0)
  373.         {
  374.             for(a=0;a<5;a++)
  375.             for(b=0;b<102;b++){}
  376.             if(stop==0)
  377.         {
  378.            flag=0;
  379.            break;
  380.         }
  381.            EA=1;
  382.         }
  383.        get_temper();
  384.            b=temper;
  385.         if(flag_2==1)
  386.           a=b;
  387.         if((abs(a-b))>5)
  388.           temper=a;
  389.         else
  390.           temper=b;
  391.           a=temper;
  392.           flag_2=0;
  393.         if(++count1>30)
  394.         {
  395.           display();
  396.           count1=0;
  397.         }
  398.           compare_temper();
  399.         }
  400.            TR0=0;
  401.            z=1;
  402.         while(1)
  403.         {
  404.             EA=0;
  405.         if(stop==0)
  406.         {
  407.             for(a=0;a<5;a++)
  408.             for(b=0;b<102;b++){}
  409.             if(stop==0)
  410.             disp_1(phil);
  411.         // break;
  412.         }
  413.         EA=1;
  414. }
  415. }

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