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：
1 /*定义结构体和公用体*/
2 typedef struct CLASSIC
3 {
4 float *pPV; //测量值指针
5 float *pSV; //设定值指针
6 float *pMV; //输出值指针
7 float *pKp; //比例系数指针
8 float *pKi; //积分系数指针
9 float *pKd; //微分系数指针
10
11 float setpoint; //设定值
12 float lasterror; //前一拍偏差
13 float preerror; //前两拍偏差
14 float deadband; //死区
15 float result; //PID控制器计算结果
16 float output; //输出值0-100%
17 float maximum; //输出值上限
18 float minimum; //输出值下限
19 float errorabsmax; //偏差绝对值最大值
20 float errorabsmin; //偏差绝对值最小值
21 float alpha; //不完全微分系数
22 float deltadiff; //微分增量
23 float integralValue; //积分累计量
24 float gama; //微分先行滤波系数
25 float lastPv; //上一拍的过程测量值
26 float lastDeltaPv; //上一拍的过程测量值增量
27 }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：
1 /* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */
2 void PIDParaInitialization(CLASSICPID *vPID, //PID控制器对象
3 float *pPV, //测量值指针
4 float *pSV, //设定值指针
5 float *pMV, //输出值指针
6 float *pKp, //比例系数指针
7 float *pKi, //积分系数指针
8 float *pKd, //微分系数指针
9 float vMax, //控制变量量程
10 float vMin, //控制变量的零点
11 )
12 {
13 if((vPID==NULL)||(pPV==NULL)||(pSV==NULL)||(pMV==NULL)||(pKp==NULL)||(pKi==NULL)||(pKd==NULL))
14 {
15 return;
16 }
17 vPID->pPV=pPV;
18 vPID->pSV=pSV;
19 vPID->pMV=pMV;
20 vPID->pKp=pKp;
21 vPID->pKi=pKi;
22 vPID->pKd=pKd;
23
24 vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/
25 vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/
26
27 vPID->setpoint=*pPV; /*设定值*/
28
29 vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/
30 vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/
31 vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/
32 vPID->output=0.0; /*输出值，百分比*/
33
34 vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8;
35 vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2;
36
37 vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.0005; /*死区*/
38 vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/
39 vPID->deltadiff=0.0; /*微分增量*/
40
41 vPID->integralValue=0.0;
42
43 vPID->mode=mode;
44 }
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：
1 /* 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 */
2 void PIDRegulator(CLASSICPID *vPID)
3 {
4 float thisError;
5 float result;
6 float factor;
7 float increment;
8 float pError,dError,iError;
9
10 vPID->setpoint=*vPID->pSV;
11 thisError=vPID->setpoint-(*vPID->pPV); //得到偏差值
12 result=vPID->result;
13 if (fabs(thisError)>vPID->deadband)
14 {
15 pError=thisError-vPID->lasterror;
16 iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0;
17 dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
18
19 //变积分系数获取
20 factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin);
21
22 //计算微分项增量带不完全微分
23 vPID->deltadiff=(*vPID->pKd)*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff;
24
25 increment=(*vPID->pKp)*pError+(*vPID->pKi)*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算
26 }
27 else
28 {
29 if((fabs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(fabs((*vPID->pPV)-vPID->minimum)<vPID->deadband))
30 {
31 result=vPID->minimum;
32 }
33 increment=0.0;
34 }
35
36 result=result+increment;
37
38 /*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/
39 if(result>=vPID->maximum)
40 {
41 result=vPID->maximum;
42 }
43 if(result<=vPID->minimum)
44 {
45 result=vPID->minimum;
46 }
47
48 vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算
49 vPID->lasterror=thisError;
50 vPID->result=result;
51
52 vPID->output=(vPID->result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum)*100.0;
53
54 *vPID->pMV=vPID->output;
55 }
56 }
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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