在學習江協科技PID課程時，做一些筆記，對應視頻3-1，對應代碼：13

13-雙環PID定速定位置控制-代碼封裝

main.c:

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "LED.h"
#include "Timer.h"
#include "Key.h"
#include "RP.h"
#include "Motor.h"
#include "Encoder.h"
#include "Serial.h"
#include "PID.h"uint8_t KeyNum;int16_t Speed, Location;		//速度，位置/*定義PID結構體變量*/
PID_t Inner = {					//內環PID結構體變量，定義的時候同時給部分成員賦初值.Kp = 0.3,					//比例項權重.Ki = 0.3,					//積分項權重.Kd = 0,					//微分項權重.OutMax = 100,				//輸出限幅的最大值.OutMin = -100,				//輸出限幅的最小值
};PID_t Outer = {					//外環PID結構體變量，定義的時候同時給部分成員賦初值.Kp = 0.3,					//比例項權重.Ki = 0,					//積分項權重.Kd = 0.4,					//微分項權重.OutMax = 20,				//輸出限幅的最大值.OutMin = -20,				//輸出限幅的最小值
};int main(void)
{/*模塊初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化Key_Init();			//非阻塞式按鍵初始化Motor_Init();		//電機初始化Encoder_Init();		//編碼器初始化RP_Init();			//電位器旋鈕初始化Serial_Init();		//串口初始化，波特率9600Timer_Init();		//定時器初始化，定時中斷時間1ms/*OLED打印一個標題*/OLED_Printf(0, 0, OLED_8X16, "2*PID Control");OLED_Update();while (1){/*按鍵修改目標值*//*解除以下注釋后，記得屏蔽電位器旋鈕修改目標值的代碼*//*調節內環目標值使用Inner.Target，調節外環目標值使用Outer.Target*/
//		KeyNum = Key_GetNum();		//獲取鍵碼
//		if (KeyNum == 1)			//如果K1按下
//		{
//			Inner.Target += 10;		//目標值加10
//		}
//		if (KeyNum == 2)			//如果K2按下
//		{
//			Inner.Target -= 10;		//目標值減10
//		}
//		if (KeyNum == 3)			//如果K3按下
//		{
//			Inner.Target = 0;		//目標值歸0
//		}/*解除下面一段代碼的注釋，進行內環PID調參*//*進行內環PID調參時，請注釋掉外環控制內環的部分代碼*//*RP_GetValue函數返回電位器旋鈕的AD值，范圍：0~4095*//* 除4095.0可以把AD值歸一化，再乘上一個系數，可以調整到一個合適的范圍*/
//		Inner.Kp = RP_GetValue(1) / 4095.0 * 2;				//修改Kp，調整范圍：0~2
//		Inner.Ki = RP_GetValue(2) / 4095.0 * 2;				//修改Ki，調整范圍：0~2
//		Inner.Kd = RP_GetValue(3) / 4095.0 * 2;				//修改Kd，調整范圍：0~2
//		Inner.Target = RP_GetValue(4) / 4095.0 * 300 - 150;	//修改目標值，調整范圍：-150~150
//		
//		/*OLED顯示*/
//		OLED_Printf(0, 16, OLED_8X16, "Kp:%4.2f", Inner.Kp);			//顯示Kp
//		OLED_Printf(0, 32, OLED_8X16, "Ki:%4.2f", Inner.Ki);			//顯示Ki
//		OLED_Printf(0, 48, OLED_8X16, "Kd:%4.2f", Inner.Kd);			//顯示Kd
//		
//		OLED_Printf(64, 16, OLED_8X16, "Tar:%+04.0f", Inner.Target);	//顯示目標值
//		OLED_Printf(64, 32, OLED_8X16, "Act:%+04.0f", Inner.Actual);	//顯示實際值
//		OLED_Printf(64, 48, OLED_8X16, "Out:%+04.0f", Inner.Out);		//顯示輸出值
//		
//		OLED_Update();	//OLED更新，調用顯示函數后必須調用此函數更新，否則顯示的內容不會更新到OLED上
//		
//		Serial_Printf("%f,%f,%f\r\n", Inner.Target, Inner.Actual, Inner.Out);	//串口打印目標值、實際值和輸出值
//																	//配合SerialPlot繪圖軟件，可以顯示數據的波形/*解除下面一段代碼的注釋，進行外環PID調參*//*內環PID調參完成后，加上外環控制內環的部分代碼，再進行外環PID調參*//*RP_GetValue函數返回電位器旋鈕的AD值，范圍：0~4095*//* 除4095.0可以把AD值歸一化，再乘上一個系數，可以調整到一個合適的范圍*/
//		Outer.Kp = RP_GetValue(1) / 4095.0 * 2;				//修改Kp，調整范圍：0~2
//		Outer.Ki = RP_GetValue(2) / 4095.0 * 2;				//修改Ki，調整范圍：0~2
//		Outer.Kd = RP_GetValue(3) / 4095.0 * 2;				//修改Kd，調整范圍：0~2Outer.Target = RP_GetValue(4) / 4095.0 * 816 - 408;	//修改目標值，調整范圍：-408~408/*OLED顯示*/OLED_Printf(0, 16, OLED_8X16, "Kp:%4.2f", Outer.Kp);			//顯示KpOLED_Printf(0, 32, OLED_8X16, "Ki:%4.2f", Outer.Ki);			//顯示KiOLED_Printf(0, 48, OLED_8X16, "Kd:%4.2f", Outer.Kd);			//顯示KdOLED_Printf(64, 16, OLED_8X16, "Tar:%+04.0f", Outer.Target);	//顯示目標值OLED_Printf(64, 32, OLED_8X16, "Act:%+04.0f", Outer.Actual);	//顯示實際值OLED_Printf(64, 48, OLED_8X16, "Out:%+04.0f", Outer.Out);		//顯示輸出值OLED_Update();	//OLED更新，調用顯示函數后必須調用此函數更新，否則顯示的內容不會更新到OLED上Serial_Printf("%f,%f,%f\r\n", Outer.Target, Outer.Actual, Outer.Out);	//串口打印目標值、實際值和輸出值//配合SerialPlot繪圖軟件，可以顯示數據的波形}
}void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{/*定義靜態變量（默認初值為0，函數退出后保留值和存儲空間）*/static uint16_t Count1, Count2;		//分別用于內環和外環的計次分頻if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) == SET){/*每隔1ms，程序執行到這里一次*/Key_Tick();			//調用按鍵的Tick函數/*內環計次分頻*/Count1 ++;				//計次自增if (Count1 >= 40)		//如果計次40次，則if成立，即if每隔40ms進一次{Count1 = 0;			//計次清零，便于下次計次/*獲取實際速度值和實際位置值*//*Encoder_Get函數，可以獲取兩次讀取編碼器的計次值增量*//*此值正比于速度，所以可以表示速度，但它的單位并不是速度的標準單位*//*此處每隔40ms獲取一次計次值增量，電機旋轉一周的計次值增量約為408*//*因此如果想轉換為標準單位，比如轉/秒*//*則可將此句代碼改成Speed = Encoder_Get() / 408.0 / 0.04;*/Speed = Encoder_Get();		//獲取編碼器增量，得到實際速度Location += Speed;			//實際速度累加，得到實際位置/*以下進行內環PID控制*//*內環獲取實際值*/Inner.Actual = Speed;		//內環為速度環，實際值為速度值/*PID計算及結構體變量值更新*/PID_Update(&Inner);			//調用封裝好的函數，一步完成PID計算和更新/*內環執行控制*//*內環輸出值給到電機PWM*/Motor_SetPWM(Inner.Out);}/*外環計次分頻*/Count2 ++;				//計次自增if (Count2 >= 40)		//如果計次40次，則if成立，即if每隔40ms進一次{Count2 = 0;			//計次清零，便于下次計次/*以下進行外環PID控制*//*外環獲取實際值*/Outer.Actual = Location;		//外環為位置環，實際值為位置值/*PID計算及結構體變量值更新*/PID_Update(&Outer);			//調用封裝好的函數，一步完成PID計算和更新/*外環執行控制*//*外環的輸出值作用于內環的目標值，組成串級PID結構*/Inner.Target = Outer.Out;}TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);}
}

PID.c:

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PID.h"/*** 函    數：PID計算及結構體變量值更新* 參    數：PID_t * 指定結構體的地址* 返 回 值：無*/
void PID_Update(PID_t *p)
{/*獲取本次誤差和上次誤差*/p->Error1 = p->Error0;					//獲取上次誤差p->Error0 = p->Target - p->Actual;		//獲取本次誤差，目標值減實際值，即為誤差值/*外環誤差積分（累加）*//*如果Ki不為0，才進行誤差積分，這樣做的目的是便于調試*//*因為在調試時，我們可能先把Ki設置為0，這時積分項無作用，誤差消除不了，誤差積分會積累到很大的值*//*后續一旦Ki不為0，那么因為誤差積分已經積累到很大的值了，這就導致積分項瘋狂輸出，不利于調試*/if (p->Ki != 0)					//如果Ki不為0{p->ErrorInt += p->Error0;	//進行誤差積分}else							//否則{p->ErrorInt = 0;			//誤差積分直接歸0}/*PID計算*//*使用位置式PID公式，計算得到輸出值*/p->Out = p->Kp * p->Error0+ p->Ki * p->ErrorInt+ p->Kd * (p->Error0 - p->Error1);/*輸出限幅*/if (p->Out > p->OutMax) {p->Out = p->OutMax;}	//限制輸出值最大為結構體指定的OutMaxif (p->Out < p->OutMin) {p->Out = p->OutMin;}	//限制輸出值最小為結構體指定的OutMin
}

PID.h:

#ifndef __PID_H
#define __PID_Htypedef struct {float Target;float Actual;float Out;float Kp;float Ki;float Kd;float Error0;float Error1;float ErrorInt;float OutMax;float OutMin;
} PID_t;void PID_Update(PID_t *p);#endif

一、雙環 PID 實現原理

1. 結構

   • 外環（位置環）：
     直接對位置誤差（目標位置 ? 實際位置）進行 PID 計算，輸出的結果不是直接驅動電機，而是作為內環速度環的目標值。

   • 內環（速度環）：
     對速度誤差（目標速度 ? 實際速度）進行 PID 控制，輸出 PWM 信號驅動電機。

2. 工作流程

   • 外環根據位置誤差計算一個期望速度（正負代表轉動方向和快慢）。

   • 內環將期望速度作為目標，與實時測得的速度比較后，用 PID 算法快速調整 PWM，使實際速度跟隨期望速度。

   • 最終實現位置精確控制的同時，速度變化過程平滑、快速。

3. 代碼對應關系

1.外環

Outer.Actual = Location;
PID_Update(&Outer);
Inner.Target = Outer.Out; // 外環輸出作為內環目標速度

2.內環：

Inner.Actual = Speed;
PID_Update(&Inner);
Motor_SetPWM(Inner.Out);

二、雙環 PID 的優點（相對單環 PID）

1. 穩態精度高

   • 外環處理位置誤差，能消除位置的長期偏差（穩態誤差小）。

   • 內環快速消除速度誤差，讓外環的輸出更快收斂到目標。

2. 動態性能好

   • 內環抑制了速度的突變，提高系統響應速度。

   • 外環不直接控制 PWM，避免了位置環大幅度輸出導致的振蕩。

3. 抗干擾能力強

   • 內環對速度的快速調節可以抵消外部擾動（負載變化、摩擦力變化等）。

4. 抑制超調與振蕩

   • 外環輸出受內環限幅（OutMax / OutMin）保護，避免因位置誤差大而直接全速輸出造成沖過頭。

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三、調參技巧（先內環后外環）

1. 為什么要先調內環

• 內環（速度環）是系統快速響應部分，直接影響外環效果。

• 如果內環速度跟隨不準，外環即使參數再好，也會出現震蕩、超調甚至失穩。

2. 調內環步驟

1. 關掉外環（直接給內環一個固定的速度目標值）。

2. 先調 Kp：從小到大增加，直到速度響應快且基本無振蕩。

3. 再調 Ki：消除速度穩態誤差，但不要太大，防止低頻振蕩。

4. 視情況加 Kd：抑制速度快速變化的振蕩。

5. 確保內環在目標速度變化時能快速平穩跟隨。

3. 調外環步驟

1. 開啟外環，內環保持調好的參數。

2. 外環先調 Kp：從小到大增加，觀察位置響應速度和超調情況。

3. 若存在位置穩態誤差，可適當增加 Ki（位置環 Ki 一般很小）。

4. 外環 Kd 用于抑制位置變化過快時的超調（相當于對速度的進一步約束）。

5. 外環輸出限幅 (OutMax) 要合理，一般設為電機中速范圍，防止位置誤差大時直接給滿速。