前面我们发布了一系列PID控制器相关的文章，包括经典PID控制器以及参数自适应的PID控制器。这一系列PID控制器虽说实现了主要功能，也在实际使用中取得了良好效果，但还有很多的细节部分可以改进以提高性能和灵活性。所以在这篇中我们来讨论改进PID控制器以实现动态调整参数的目的。
1、提出问题
在我们一开始开发PID控制器时，我们主要是关注于其算法的实现而没有过多的关心其使用过程。但在我们的使用过程中发现有些不够灵活的地方。
在原有的PID控制器中，设定值是通过在外部给PID对象的参数赋值实现的，虽然说并不影响使用，但我们若想对PID控制器中的参数设定值进行某些处理就不是很方便了。而在原有的PID控制器中，输出值在外部是不可见的，只能通过PID对象查看且不可更改。这些使得对这些参数的操作显得不够灵活。
而且在原有的PID控制器中3个调节参数也不能在外部随时调整，这显然不符合很多应用的需要，因为PID参数的调整是很常见的工作。所以在这篇中我们来考虑实现这些参数的动态调整。
2、分析设计
为了使得PID控制器使用起来更为灵活，我们需要将PID对象作必要的改动。关于PID对象我们考虑将测量值、设定值、输出值作为对象的属性。但我们不是直接将这几个变量作为对象属性，因为这样达不到我们从外部灵活操作的目的，我们将几个指向浮点变量的指针作为对象的属性，而初始化后这几个指针将指向我们的测量值、设定值、输出值变量。
同样的三个PID参数我们想要在外部修改它，我们也将其在外部定义为变量，而在PID对象中定义为指向这三个变量的浮点数指针。在对对象进行初始化时，我们将变量地址赋值给这几个指针。据此我们定义PID对象类型为：
/*定义结构体和公用体*/
typedef struct CLASSIC
{
float *pPV; //测量值指针
float *pSV; //设定值指针
float *pMV; //输出值指针
float *pKp; //比例系数指针
float *pKi; //积分系数指针
float *pKd; //微分系数指针
float setpoint; //设定值
float lasterror; //前一拍偏差
float preerror; //前两拍偏差
float deadband; //死区
float result; //PID控制器计算结果
float output; //输出值0-100%
float maximum; //输出值上限
float minimum; //输出值下限
float errorabsmax; //偏差绝对值最大值
float errorabsmin; //偏差绝对值最小值
float alpha; //不完全微分系数
float deltadiff; //微分增量
float integralValue; //积分累计量
float gama; //微分先行滤波系数
float lastPv; //上一拍的过程测量值
float lastDeltaPv; //上一拍的过程测量值增量
}CLASSICPID;3、软件实现
我们计划将PID参数和过程变量改成指向浮点型变量的指针，那么代码上需要做哪些修改呢？需要修改的主要是两个函数：PID调节函数和PID对象初始化函数。
首先，我们来看一看PID对象的初始化函数。我们知道将这些变量修改为指向浮点变量法的指针后，我们就必须在初始化时指定具体的变量地址，否则指向的将是不可预知的位置。所以我们修改初始化函数如下：
/* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */
void PIDParaInitialization(CLASSICPID *vPID, //PID控制器对象
float *pPV, //测量值指针
float *pSV, //设定值指针
float *pMV, //输出值指针
float *pKp, //比例系数指针
float *pKi, //积分系数指针
float *pKd, //微分系数指针
float vMax, //控制变量量程
float vMin, //控制变量的零点
)
{
if((vPID==NULL)||(pPV==NULL)||(pSV==NULL)||(pMV==NULL)||(pKp==NULL)||(pKi==NULL)||(pKd==NULL))
{
return;
}
vPID->pPV=pPV;
vPID->pSV=pSV;
vPID->pMV=pMV;
vPID->pKp=pKp;
vPID->pKi=pKi;
vPID->pKd=pKd;
vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/
vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/
vPID->setpoint=*pPV; /*设定值*/
vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/
vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/
vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/
vPID->output=0.0; /*输出值，百分比*/
vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8;
vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2;
vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.0005; /*死区*/
vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/
vPID->deltadiff=0.0; /*微分增量*/
vPID->integralValue=0.0;
vPID->mode=mode;
}其次，我们还需要修改PID调节函数。在原来的PID调节器中过程值是作为函数的参数输入的，而且PID参数是作为变量存在于对象内部的，所以要针对这两个方面做相应的修改：
/* 通用PID控制器,采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能，微分项采用不完全微分，一阶滤波，alpha值越大滤波作用越强 */
void PIDRegulator(CLASSICPID *vPID)
{
float thisError;
float result;
float factor;
float increment;
float pError,dError,iError;
vPID->setpoint=*vPID->pSV;
thisError=vPID->setpoint-(*vPID->pPV); //得到偏差值
result=vPID->result;
if (fabs(thisError)>vPID->deadband)
{
pError=thisError-vPID->lasterror;
iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0;
dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
//变积分系数获取
factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin);
//计算微分项增量带不完全微分
vPID->deltadiff=(*vPID->pKd)*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff;
increment=(*vPID->pKp)*pError+(*vPID->pKi)*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算
}
else
{
if((fabs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(fabs((*vPID->pPV)-vPID->minimum)<vPID->deadband))
{
result=vPID->minimum;
}
increment=0.0;
}
result=result+increment;
/*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/
if(result>=vPID->maximum)
{
result=vPID->maximum;
}
if(result<=vPID->minimum)
{
result=vPID->minimum;
}
vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算
vPID->lasterror=thisError;
vPID->result=result;
vPID->output=(vPID->result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum)*100.0;
*vPID->pMV=vPID->output;
}
}4、总结
我们将PID参数和过程变量都改为了对象所包含的指针，这样当我们从上位机或者其他进程修改变量的值时，也同步修改了PID对象中的值。测试的结果比原来的方式操作更为方便。
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