STM32F103C8T6实现直流电机速度PID控制
01 前言
前面完成了基于stm32f103c8t6+l298n+mg513p30直流电机的pwm控制和两种方法的编码器实时速度反馈，拿到这个反馈值后我们就可以使用经典的pid算法，对电机的转速进行准确的控制了，这篇文章主要分享pid基本原理和keil5的pid编程。
02 pid的基本原理
pid算法是上个世纪30年代左右提出的控制算法，大至航空航天、小至家庭温度调控都可以使用pid算法，虽然pid算法从提出到现在已经历经了快一个世纪，其后也出现了很多现代的智能算法，比如蒙特卡洛、智能控制等等，但现在pid仍然经久不衰，可以说目前80%以上的控制仍然使用pid算法。
pid算法是自动控制原理课程学习的一部分，但在课程中老师讲解的是最基本的原理，没有任何拓展，更别提应用了，首先，先简单说一下pid控制算法的原理。
上图为pid算法的控制框图，在我们控制电机速度时，期望输入就是电机的期望速度值，期望输入与由编码器测得的实际速度作差，求出的误差值传给pid的控制部分，算出需要输出的控制信号，将该控制信号传给控制器，也就是输出给电机驱动板l298n，这样形成一个循环，就实现了对电机速度的精准控制。
中间pid的控制部分的连续型公式如下：
但是在计算机中计算机很难实现连续型变量的积分或者微分操作，因此在计算机中，我们使用离散型的积分和微分，就是取时间间隔t为1，离散型pid公式如下：
各个项的主要作用及效果如下：
p：增加快速性，过大会引起震荡和超调，p单独作用会一直有静态误差i：减少静态误差，过大会引起震荡d：减小超调，过大会使响应速度变慢在实际的应用中，有可能不需要pid同时使用，比如在速度控制中一般只使用pi控制就够了
03变式pid
pid算法有很多进化版本，分类别的简单阐述一下
增量式pid
在电机的速度pid控制算法中，因为我们一般使用pi算法就够了，所以我们可以使用增量式pid算法，这样可以让我们的公式和代码更加简洁。
积分限幅
因为积分的效果是累加，随着时间的推移，积分项的值会升到很高，积分本来的作用是用来减小静态误差，但积分项过大会引起过大的震荡，所以我们可以加一个判断函数if，当积分项的值达到一定值后，就让积分项保持这个值，避免引起更大的震荡。
积分分离
如果刚开始的误差比较大，那么积分项则会在刚开始就累计到了一个很大的数值，那么当第一次实际输出达到期望值时，不会立刻停止，而是会产生一个很大的过冲。这时就需要用到积分分离，就是当误差值过大时，我们就不使用积分项，只让pd项单独作用，当误差值较小后，再加入积分项，以减小静态误差。
04 keil5程序
为了使用方便，我们先定一个pid结构体，结构体储存左右轮的pid参数、限幅值、误差等参数。
typedefstruct{//相关速度pid参数floatvelcity_kp;floatvelcity_ki;floatvelcity_kd;floatur;//限幅值u8pid_is_enable;//pid使能intun;//期望输出值inten_1;//上一次的误差值inten_2;//上上次的误差值intpwm;//输出pwm值}pid_initdefstruct;在程序初始化部分，定义一个初始化函数，对其中的参数进行初始化配置。
voidpid_init(pid_initdefstruct*p){p- >velcity_kp=5;p- >velcity_ki=0.5;p- >velcity_kd=0;p- >ur=7100;p- >pid_is_enable=1;p- >un=0;p- >en_1=0;p- >en_2=0;p- >pwm=0;}当编码器的定时器，每隔10ms反馈一次编码器测出的实际速度后，调用pid函数，求解输出给电机驱动板的pwm值，然后通过set_pwm函数进行设置，以此控制电机转速。
voidvelocity_pid(inttargetvelocity,intcurrentvelocity,pid_initdefstruct*p){if(p- >pid_is_enable==1){inten=targetvelocity-currentvelocity;//误差值p- >un+=p- >velcity_kp*(en-p- >en_1)+p- >velcity_ki*en+p- >velcity_kd*(en-2*p- >en_1+p- >en_2);//增量式pidp- >en_2=p- >en_1;p- >en_1=en;p- >pwm=p- >un;/*输出限幅*/if(p- >pwm >p- >ur)p- >pwm=p- >ur;if(p- >pwmur)p- >pwm=-p- >ur;}else{pid_init(p);}}测试给电机输入理想转速为1500mm/s，随便设置了一组pi参数，得到实验结果如下：
可以通过上位机看一下波形，可以看到在稳定状态的静差是比较小的。
05 总结
对于pid算法这才是万里长征的第一步吧，想要调出完美的控制程序，还需要复杂的pid参数整定，这里可以配合上位机进行调试。
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p：增加快速性，过大会引起震荡和超调，p单独作用会一直有静态误差i：减少静态误差，过大会引起震荡d：减小超调，过大会使响应速度变慢在实际的应用中，有可能不需要pid同时使用，比如在速度控制中一般只使用pi控制就够了
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