在学习江协科技PID课程时，做一些笔记，对应视频3-1，对应代码：13

13-双环PID定速定位置控制-代码封装

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/*定义PID结构体变量*/
PID_t Inner = {					//内环PID结构体变量，定义的时候同时给部分成员赋初值.Kp = 0.3,					//比例项权重.Ki = 0.3,					//积分项权重.Kd = 0,					//微分项权重.OutMax = 100,				//输出限幅的最大值.OutMin = -100,				//输出限幅的最小值
};PID_t Outer = {					//外环PID结构体变量，定义的时候同时给部分成员赋初值.Kp = 0.3,					//比例项权重.Ki = 0,					//积分项权重.Kd = 0.4,					//微分项权重.OutMax = 20,				//输出限幅的最大值.OutMin = -20,				//输出限幅的最小值
};int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化Key_Init();			//非阻塞式按键初始化Motor_Init();		//电机初始化Encoder_Init();		//编码器初始化RP_Init();			//电位器旋钮初始化Serial_Init();		//串口初始化，波特率9600Timer_Init();		//定时器初始化，定时中断时间1ms/*OLED打印一个标题*/OLED_Printf(0, 0, OLED_8X16, "2*PID Control");OLED_Update();while (1){/*按键修改目标值*//*解除以下注释后，记得屏蔽电位器旋钮修改目标值的代码*//*调节内环目标值使用Inner.Target，调节外环目标值使用Outer.Target*/
//		KeyNum = Key_GetNum();		//获取键码
//		if (KeyNum == 1)			//如果K1按下
//		{
//			Inner.Target += 10;		//目标值加10
//		}
//		if (KeyNum == 2)			//如果K2按下
//		{
//			Inner.Target -= 10;		//目标值减10
//		}
//		if (KeyNum == 3)			//如果K3按下
//		{
//			Inner.Target = 0;		//目标值归0
//		}/*解除下面一段代码的注释，进行内环PID调参*//*进行内环PID调参时，请注释掉外环控制内环的部分代码*//*RP_GetValue函数返回电位器旋钮的AD值，范围：0~4095*//* 除4095.0可以把AD值归一化，再乘上一个系数，可以调整到一个合适的范围*/
//		Inner.Kp = RP_GetValue(1) / 4095.0 * 2;				//修改Kp，调整范围：0~2
//		Inner.Ki = RP_GetValue(2) / 4095.0 * 2;				//修改Ki，调整范围：0~2
//		Inner.Kd = RP_GetValue(3) / 4095.0 * 2;				//修改Kd，调整范围：0~2
//		Inner.Target = RP_GetValue(4) / 4095.0 * 300 - 150;	//修改目标值，调整范围：-150~150
//		
//		/*OLED显示*/
//		OLED_Printf(0, 16, OLED_8X16, "Kp:%4.2f", Inner.Kp);			//显示Kp
//		OLED_Printf(0, 32, OLED_8X16, "Ki:%4.2f", Inner.Ki);			//显示Ki
//		OLED_Printf(0, 48, OLED_8X16, "Kd:%4.2f", Inner.Kd);			//显示Kd
//		
//		OLED_Printf(64, 16, OLED_8X16, "Tar:%+04.0f", Inner.Target);	//显示目标值
//		OLED_Printf(64, 32, OLED_8X16, "Act:%+04.0f", Inner.Actual);	//显示实际值
//		OLED_Printf(64, 48, OLED_8X16, "Out:%+04.0f", Inner.Out);		//显示输出值
//		
//		OLED_Update();	//OLED更新，调用显示函数后必须调用此函数更新，否则显示的内容不会更新到OLED上
//		
//		Serial_Printf("%f,%f,%f\r\n", Inner.Target, Inner.Actual, Inner.Out);	//串口打印目标值、实际值和输出值
//																	//配合SerialPlot绘图软件，可以显示数据的波形/*解除下面一段代码的注释，进行外环PID调参*//*内环PID调参完成后，加上外环控制内环的部分代码，再进行外环PID调参*//*RP_GetValue函数返回电位器旋钮的AD值，范围：0~4095*//* 除4095.0可以把AD值归一化，再乘上一个系数，可以调整到一个合适的范围*/
//		Outer.Kp = RP_GetValue(1) / 4095.0 * 2;				//修改Kp，调整范围：0~2
//		Outer.Ki = RP_GetValue(2) / 4095.0 * 2;				//修改Ki，调整范围：0~2
//		Outer.Kd = RP_GetValue(3) / 4095.0 * 2;				//修改Kd，调整范围：0~2Outer.Target = RP_GetValue(4) / 4095.0 * 816 - 408;	//修改目标值，调整范围：-408~408/*OLED显示*/OLED_Printf(0, 16, OLED_8X16, "Kp:%4.2f", Outer.Kp);			//显示KpOLED_Printf(0, 32, OLED_8X16, "Ki:%4.2f", Outer.Ki);			//显示KiOLED_Printf(0, 48, OLED_8X16, "Kd:%4.2f", Outer.Kd);			//显示KdOLED_Printf(64, 16, OLED_8X16, "Tar:%+04.0f", Outer.Target);	//显示目标值OLED_Printf(64, 32, OLED_8X16, "Act:%+04.0f", Outer.Actual);	//显示实际值OLED_Printf(64, 48, OLED_8X16, "Out:%+04.0f", Outer.Out);		//显示输出值OLED_Update();	//OLED更新，调用显示函数后必须调用此函数更新，否则显示的内容不会更新到OLED上Serial_Printf("%f,%f,%f\r\n", Outer.Target, Outer.Actual, Outer.Out);	//串口打印目标值、实际值和输出值//配合SerialPlot绘图软件，可以显示数据的波形}
}void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{/*定义静态变量（默认初值为0，函数退出后保留值和存储空间）*/static uint16_t Count1, Count2;		//分别用于内环和外环的计次分频if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) == SET){/*每隔1ms，程序执行到这里一次*/Key_Tick();			//调用按键的Tick函数/*内环计次分频*/Count1 ++;				//计次自增if (Count1 >= 40)		//如果计次40次，则if成立，即if每隔40ms进一次{Count1 = 0;			//计次清零，便于下次计次/*获取实际速度值和实际位置值*//*Encoder_Get函数，可以获取两次读取编码器的计次值增量*//*此值正比于速度，所以可以表示速度，但它的单位并不是速度的标准单位*//*此处每隔40ms获取一次计次值增量，电机旋转一周的计次值增量约为408*//*因此如果想转换为标准单位，比如转/秒*//*则可将此句代码改成Speed = Encoder_Get() / 408.0 / 0.04;*/Speed = Encoder_Get();		//获取编码器增量，得到实际速度Location += Speed;			//实际速度累加，得到实际位置/*以下进行内环PID控制*//*内环获取实际值*/Inner.Actual = Speed;		//内环为速度环，实际值为速度值/*PID计算及结构体变量值更新*/PID_Update(&Inner);			//调用封装好的函数，一步完成PID计算和更新/*内环执行控制*//*内环输出值给到电机PWM*/Motor_SetPWM(Inner.Out);}/*外环计次分频*/Count2 ++;				//计次自增if (Count2 >= 40)		//如果计次40次，则if成立，即if每隔40ms进一次{Count2 = 0;			//计次清零，便于下次计次/*以下进行外环PID控制*//*外环获取实际值*/Outer.Actual = Location;		//外环为位置环，实际值为位置值/*PID计算及结构体变量值更新*/PID_Update(&Outer);			//调用封装好的函数，一步完成PID计算和更新/*外环执行控制*//*外环的输出值作用于内环的目标值，组成串级PID结构*/Inner.Target = Outer.Out;}TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);}
}

PID.c:

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PID.h"/*** 函    数：PID计算及结构体变量值更新* 参    数：PID_t * 指定结构体的地址* 返 回 值：无*/
void PID_Update(PID_t *p)
{/*获取本次误差和上次误差*/p->Error1 = p->Error0;					//获取上次误差p->Error0 = p->Target - p->Actual;		//获取本次误差，目标值减实际值，即为误差值/*外环误差积分（累加）*//*如果Ki不为0，才进行误差积分，这样做的目的是便于调试*//*因为在调试时，我们可能先把Ki设置为0，这时积分项无作用，误差消除不了，误差积分会积累到很大的值*//*后续一旦Ki不为0，那么因为误差积分已经积累到很大的值了，这就导致积分项疯狂输出，不利于调试*/if (p->Ki != 0)					//如果Ki不为0{p->ErrorInt += p->Error0;	//进行误差积分}else							//否则{p->ErrorInt = 0;			//误差积分直接归0}/*PID计算*//*使用位置式PID公式，计算得到输出值*/p->Out = p->Kp * p->Error0+ p->Ki * p->ErrorInt+ p->Kd * (p->Error0 - p->Error1);/*输出限幅*/if (p->Out > p->OutMax) {p->Out = p->OutMax;}	//限制输出值最大为结构体指定的OutMaxif (p->Out < p->OutMin) {p->Out = p->OutMin;}	//限制输出值最小为结构体指定的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、双环 PID 实现原理

1. 结构

   • 外环（位置环）：
     直接对位置误差（目标位置 − 实际位置）进行 PID 计算，输出的结果不是直接驱动电机，而是作为内环速度环的目标值。

   • 内环（速度环）：
     对速度误差（目标速度 − 实际速度）进行 PID 控制，输出 PWM 信号驱动电机。

2. 工作流程

   • 外环根据位置误差计算一个期望速度（正负代表转动方向和快慢）。

   • 内环将期望速度作为目标，与实时测得的速度比较后，用 PID 算法快速调整 PWM，使实际速度跟随期望速度。

   • 最终实现位置精确控制的同时，速度变化过程平滑、快速。

3. 代码对应关系

1.外环

Outer.Actual = Location;
PID_Update(&Outer);
Inner.Target = Outer.Out; // 外环输出作为内环目标速度

2.内环：

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

二、双环 PID 的优点（相对单环 PID）

1. 稳态精度高

   • 外环处理位置误差，能消除位置的长期偏差（稳态误差小）。

   • 内环快速消除速度误差，让外环的输出更快收敛到目标。

2. 动态性能好

   • 内环抑制了速度的突变，提高系统响应速度。

   • 外环不直接控制 PWM，避免了位置环大幅度输出导致的振荡。

3. 抗干扰能力强

   • 内环对速度的快速调节可以抵消外部扰动（负载变化、摩擦力变化等）。

4. 抑制超调与振荡

   • 外环输出受内环限幅（OutMax / OutMin）保护，避免因位置误差大而直接全速输出造成冲过头。

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三、调参技巧（先内环后外环）

1. 为什么要先调内环

• 内环（速度环）是系统快速响应部分，直接影响外环效果。

• 如果内环速度跟随不准，外环即使参数再好，也会出现震荡、超调甚至失稳。

2. 调内环步骤

1. 关掉外环（直接给内环一个固定的速度目标值）。

2. 先调 Kp：从小到大增加，直到速度响应快且基本无振荡。

3. 再调 Ki：消除速度稳态误差，但不要太大，防止低频振荡。

4. 视情况加 Kd：抑制速度快速变化的振荡。

5. 确保内环在目标速度变化时能快速平稳跟随。

3. 调外环步骤

1. 开启外环，内环保持调好的参数。

2. 外环先调 Kp：从小到大增加，观察位置响应速度和超调情况。

3. 若存在位置稳态误差，可适当增加 Ki（位置环 Ki 一般很小）。

4. 外环 Kd 用于抑制位置变化过快时的超调（相当于对速度的进一步约束）。

5. 外环输出限幅 (OutMax) 要合理，一般设为电机中速范围，防止位置误差大时直接给满速。