(笔记)位置式PID与增量式PID区别浅析

一、PID控制算法

什么是PID

PID 控制器以各种形式使用超过了 1 世纪，广泛应用在机械设备、气动设备和电子设备.在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法

PID 实指“比例 proportional”、“积分 integral”、“微分 derivative”，这三项构成 PID 基本要素。每一项完成不同任务，对系统功能产生不同的影响。它的结构简单，参数易于调整，是控制系统中经常采用的控制算法。

PID：比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成

PID控制公式

其中：

u(t)为控制器输出的控制量；（输出）
e(t)为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；（输入）
KP 为比例系数；（对应参数 P）
TI 为积分时间常数；（对应参数I）
TD 为微分时间常数。(对应参数 D)

注：数字 PID 控制算法通常分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。

二、位置式 PID 算法

e(k): 用户设定的值（目标值） - 控制对象的当前的状态值

比例P : e(k)
积分I : ∑e(i) 误差的累加
微分D : e(k) - e(k-1) 这次误差-上次误差

也就是位置式PID是当前系统的实际位置，与你想要达到的预期位置的偏差，进行PID控制

因为有误差积分 ∑e(i) 一直累加，也就是当前的输出u(k)与过去的所有状态都有关系，用到了误差的累加值；（误差e会有误差累加），输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，一旦控制输出出错(控制对象的当前的状态值出现问题 )，u(k)的大幅变化会引起系统的大幅变化

并且位置式PID在积分项达到饱和时,误差仍然会在积分作用下继续累积，一旦误差开始反向变化，系统需要一定时间从饱和区退出，所以在u(k)达到最大和最小时，要停止积分作用，并且要有积分限幅和输出限幅。所以在使用位置式PID时，一般我们直接使用PD控制，而位置式 PID 适用于执行机构不带积分部件的对象，如舵机和平衡小车的直立和温控系统的控制

结合代码可以很好理解

typedef struct PID
{ 
  float P,I,D,limit;
}PID;

typedef struct Error 
{ 
  float Current_Error;　　　　 //当前误差 
  float Last_Error;　　　　　　 //上一次误差 
  float Previous_Error;　　　　//上上次误差 
}Error; 

/*! 
* @brief 位置式PID 
* @since v1.0 
*  *sptr ：    误差参数 
*  *pid:       PID参数 
*   NowPlace： 当前位置 
*   Point：    预期位置 
*/ 

// 位置式PID控制 
float PID_Realize(Error *sptr,PID *pid, int32 NowPlace, float Point) 
{ 
  int32 iError, //当前误差 
  Realize; //实际输出   

  iError = Point - NowPlace; // 计算当前误差 
  sptr->Current_Error += pid->I * iError; // 误差积分

  sptr->Current_Error = sptr->Current_Error > pid->limit ? pid->limit  : sptr->Current_Error;//积分限幅
  sptr->Current_Error = sptr->Current_Error <-pid->limit ? -pid->limit : sptr->Current_Error;

  Realize = pid->P * iError                          //比例P
            + sptr->Current_Error                    //积分I
            + pid->D * (iError - sptr->Last_Error);  //微分D
  sptr->Last_Error = iError;        // 更新上次误差
  return Realize;  // 返回实际值
}

三、增量式PID

比例P : e(k)-e(k-1) 这次误差-上次误差
积分I : e(i) 误差
微分D : e(k) - 2e(k-1)+e(k-2) 这次误差-2*上次误差+上上次误差

增量式PID根据公式可以很好地看出，一旦确定了 KP、TI 、TD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由公式求出控制增量。而得出的控制量▲u(k)对应的是近几次位置误差的增量，而不是对应与实际位置的偏差，没有误差累加。也就是说，增量式PID中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果，并且在系统发生问题时，增量式不会严重影响系统的工作

总结：

增量型 PID，是对位置型 PID 取增量，这时控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，得到的结果是增量，即在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味减少）控制量。

typedef struct PID
{ 
  float P,I,D,limit;
}PID;
typedef struct Error
{
  float Current_Error;　　　　//当前误差
  float Last_Error;　　　　　　//上一次误差
  float Previous_Error;　　　 //上上次误差
}Error;
 
/*! 
 *  @brief      增量式PID
 *  @since      v1.0
 *  *sptr ：    误差参数
 *  *pid:       PID参数
 *  NowPlace：  实际值
 *  Point：     期望值
 */
// 增量式PID电机控制
int32 PID_Increase(Error *sptr, PID *pid, int32 NowPlace, int32 Point)
{
 
  int32 iError,  　　//当前误差
        Increase;   //最后得出的实际增量
 
  iError = Point - NowPlace;  // 计算当前误差
 
  Increase =  pid->P * (iError - sptr->Last_Error)   　　　　　　　　　　　　　　　　　　//比例P
             + pid->I * iError      　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//积分I
             + pid->D * (iError - 2 * sptr->Last_Error + sptr->Previous_Error);    //微分D
  
  sptr->Previous_Error = sptr->Last_Error;  // 更新前次误差
  sptr->Last_Error = iError;        　　　　 // 更新上次误差
  
  return Increase;  // 返回增量
}

四、增量式与位置式区别

1、增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制量计算的影响较小。而位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累加误差。

2、增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

3、增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。

4、在进行PID控制时，位置式PID需要有积分限幅和输出限幅，而增量式PID只需输出限幅

位置式PID优缺点：

优点：

①位置式PID是一种非递推式算法，可直接控制执行机构（如平衡小车），u(k)的值和执行机构的实际位置（如小车当前角度）是一一对应的，因此在执行机构不带积分部件的对象中可以很好应用

缺点：

①每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算工作量大。

增量式PID优缺点：

优点：

①误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉出错数据。
②手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。当计算机故障时，仍能保持原值。
③算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关。

缺点：

①积分截断效应大，有稳态误差；

②溢出的影响大。有的被控对象用增量式则不太好；

什么是积分截断效应大？

积分截断效应是将具有不连续点的周期函数进行傅立叶级数展开后，选取有限项进行合成。积分截断效应当选取的项数越多，在所合成的波形中出现的峰起越靠近原信号的不连续点。当选取的项数很大时，该峰起值趋于一个常数，大约等于总跳变值的9%。这种现象称为截断效应，又叫吉布斯效应。

注：文章部分内容参考：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU1NjEwMTY0Mw==&mid=2247557426&idx=1&sn=53bc279d0fea3a7560a3106bcb8efbc3&chksm=fbc99856ccbe11409d0f6ab00a3f98cdcda63eb2a453edf0547b250fb7b871cb4e1f911d1e4b&scene=27

posted on 2023-07-19 08:59 tdyizhen1314 阅读(2025) 评论(0) 编辑收藏举报

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