#ifndef __PID_H
#define __PID_H	 
#include "sys.h"

typedef struct 
 {
     float target_val;               	//目标值
     float err;                         //偏差值
     float err_last;                    //上一个偏差值
	 
     float Kp,Ki,Kd;                    //比例、积分、微分系数
	 
     float integral;                    //积分值
	 float output_val;					//输出值
}PID;
 
extern PID pid;

pid.h

#include "pid.h"
#include "encoder.h"

//位置式    有误差，速度比较慢

PID pid;
void PID_param_init(void)
{
    /* 初始化参数 */
    pid.err=0.0;
    pid.err_last=0.0;
    pid.integral=0.0;		//积分项

    pid.Kp=15.0;	//最优	
    pid.Ki=1.0;		//0.05  0.1 		p  15.0  i 0.1   kd 2.5
    pid.Kd=1.5;		//调节成功			p  25.0  i 0.03  kd 0.025		  
	
	//kd 4.0 最大     15 1.0 1.5
	
	pid.target_val = 26;	//目标值
	pid.output_val=0.0;		//输出值
}


//位置式pid   传入实际值即可
float PID_realize(float actual_val)
{
	/*计算目标值与实际值的误差*/
	pid.err = pid.target_val - actual_val;	//目标值和实际值的误差
	
	/*积分项*/
	pid.integral += pid.err;				//误差累积

	/*PID算法实现*/
	pid.output_val = pid.Kp * pid.err + 
				     pid.Ki * pid.integral + 
				     pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);	//位置式

	/*误差传递*/
	pid.err_last = pid.err;

	/*返回当前实际值*/
	return pid.output_val;
}

还有一种位置

3、什么是增量式PID？

关于这个增量式PID大家可以参考下面的链接，好好学习，大佬还是讲的很明白的

电机速度环和位置环PID调参教程–B站
 【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)_32 hal库将pid坐标转换化为角度_Hz1213825的博客-CSDN博客

4、增量式PID实现

一般使用增量式PI就可以控制住速度了，所以我们采用增量式PI控制速度，闭环速度环，大家可以参考下面的代码，传入目标值和当前值，输出PI运算后的输出

进行PI调参，进而控制电机速度

// 速度环pi控制  使用增量式
/**************************************************************************
函数功能：增量PI控制器
入口参数：编码器测量值，目标速度
返回  值：电机PWM
根据增量式离散PID公式
out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
e(k)代表本次偏差
e(k-1)代表上一次的偏差  以此类推
out代表增量输出
在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)
**************************************************************************/
int Incremental_PI(int Encoder, int Target)
{
    float Kp = 10.0, Ki = 1;
    static int error, out, err_last;             // 误差  输出  上一次误差
    error = Encoder - Target;                    // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。
    out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。
    err_last = error;                            // 保存上一次偏差
    return out;                                  // 增量输出
}

四、采用VOFA+调试PID

参考我的这一篇文章：如何使用VOFA+？一款好用的上位机软件(VOFA+的三种数据传输协议）——以PID调参为例

大家可以选择firewater协议格式或者justfloat协议格式,这两种协议都可以显示数据的波形，可以一边调参，一边查看曲线，再修改参数，直至达到目标值为止。

firewater协议格式

我做出个示例
使用firewater协议格式，可以是任何类型的数据，但是以逗号隔开，最后必须以\n结尾，这样在上位机中就可以显示出波形了

下方分别代表当前速度，目标速度，输出

printf("%f,%f,%f\n",current,target,out);	//脉冲，目标值，out

justfloat协议格式

如果这种协议不懂得话

大家可以直接使用我编写的库，简单好用

vofa.c

/*
要点提示:
1. float和unsigned long具有相同的数据结构长度
2. union据类型里的数据存放在相同的物理空间
*/
typedef union
{
    float fdata;
    unsigned long ldata;
} FloatLongType;


/*
将浮点数f转化为4个字节数据存放在byte[4]中
*/
void Float_to_Byte(float f,unsigned char byte[])
{
    FloatLongType fl;
    fl.fdata=f;
    byte[0]=(unsigned char)fl.ldata;
    byte[1]=(unsigned char)(fl.ldata>>8);
    byte[2]=(unsigned char)(fl.ldata>>16);
    byte[3]=(unsigned char)(fl.ldata>>24);
}

void JustFloat_Test(void)	//justfloat 数据协议测试
{
    float a=1,b=2;	//发送的数据 两个通道
	
	u8 byte[4]={0};		//float转化为4个字节数据
	u8 tail[4]={0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};	//帧尾
	
	//向上位机发送两个通道数据
	Float_to_Byte(a,byte);
	//u1_printf("%f\r\n",a);
	u1_SendArray(byte,4);	//1转化为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x80 0x3F
	
	Float_to_Byte(b,byte);
	u1_SendArray(byte,4);	//2转换为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x00 0x40 
	
	//发送帧尾
	u1_SendArray(tail,4);	//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f

}
//向vofa发送数据  三个数据  三个通道  可视化显示  帧尾
void vofa_sendData(float a,float b,float c)
{
    //float a=1,b=2;	//发送的数据 两个通道

    u8 byte[4]= {0};		//float转化为4个字节数据
    u8 tail[4]= {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};	//帧尾

    //向上位机发送两个通道数据
    Float_to_Byte(a,byte);
    //u1_printf("%f\r\n",a);
    u1_SendArray(byte,4);	//1转化为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x80 0x3F

    Float_to_Byte(b,byte);
    u1_SendArray(byte,4);	//2转换为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x00 0x40

    Float_to_Byte(c,byte);
    u1_SendArray(byte,4);

    //发送帧尾
    u1_SendArray(tail,4);	//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f
}

使用

void vofa_sendData(float a,float b,float c)  	//a,b,c代表三个通道波形

五、目前

我要实现的是速度环和位置闭环，我现在首先目标是单环控制，首先速度环，然后位置环

速度环采用增量式PI控制，位置环采用位置式PID控制

速度环没问题（在这里无论是位置式还是增量式都实现了进行速度控制，这里建议增量式PI）
但是目前位置式PID控制位置环出现了点问题，当我调参的时候，无论目标速度调成多大，电机的转速总是会趋近于最大转速，目前这个问题还未解决,暂定

大家可以参考我的代码，采用VOFA+上位机显示调参波形，根据波形进行调参，希望可以帮助到大家。

我只贴出主要控制代码，我的工程文件将会开源，大家可以下载,参考

/*
 * @Author: _oufen
 * @Date: 2023-03-31 18:23:31
 * @LastEditTime: 2023-04-01 19:34:31
 * @Description:
 */
#include "timer4.h"
#include "led.h"
#include "encoder.h"
#include "motor.h"
#include "vofa.h"
#include "usart.h"

// int encoder_speed;     // 实际速度  近似脉冲
// int target_speed = 30; // 目标速度  每10ms 30个脉冲
// int Moto1;             // 轮子输出值

int encoder_position;
int target_position = 13;
int Moto1;

void Timer4_Init(u16 psc, u16 arr) // Timer4_Init(7200-1,1000-1);
{

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    // TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    TIM_DeInit(TIM4); // 定时器4恢复默认设置

    //	MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_6,GPIO_Mode_AF_PP);
    //	MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_7,GPIO_Mode_AF_PP);
    //	MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_8,GPIO_Mode_AF_PP);
    //	MY_GPIO_Init(GPIOB,GPIO_Pin_9,GPIO_Mode_AF_PP);

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); // 清除更新中断请求位        
    TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

// 向vofa发送数据  三个数据  三个通道  可视化显示  帧尾
void vofa_sendData(float a, float b, float c)
{
    u8 byte[4] = {0};                      // float转化为4个字节数据
    u8 tail[4] = {0x00, 0x00, 0x80, 0x7f}; // 帧尾

    // 向上位机发送两个通道数据
    Float_to_Byte(a, byte);
    // u1_printf("%f\r\n",a);
    u1_SendArray(byte, 4); // 1转化为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x80 0x3F

    Float_to_Byte(b, byte);
    u1_SendArray(byte, 4); // 2转换为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x00 0x40

    Float_to_Byte(c, byte);
    u1_SendArray(byte, 4);

    // 发送帧尾
    u1_SendArray(tail, 4); // 帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f
}

// 速度环pi控制  使用增量式
/**************************************************************************
函数功能：增量PI控制器
入口参数：编码器测量值，目标速度
返回  值：电机PWM
根据增量式离散PID公式
out+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
e(k)代表本次偏差
e(k-1)代表上一次的偏差  以此类推
out代表增量输出
在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)
**************************************************************************/
int Incremental_PI(int Encoder, int Target)
{
    float Kp = 10.0, Ki = 1;
    static int error, out, err_last;             // 误差  输出  上一次误差
    error = Encoder - Target;                    // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。
    out += Kp * (error - err_last) + Ki * error; // 使用增量 PI 控制器求出电机 PWM。
    err_last = error;                            // 保存上一次偏差
    return out;                                  // 增量输出
}

/**************************************************************************
函数功能：位置式PID控制器
入口参数：编码器测量位置信息，目标位置
返回  值：电机PWM
根据位置式离散PID公式
out=Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd[e（k）-e(k-1)]
e(k)代表本次偏差
e(k-1)代表上一次的偏差
∑e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累积和;其中k为1,2,,k;
out代表输出
**************************************************************************/
int Position_PID(int Encoder, int Target)
{
    float Position_KP = 15, Position_KI = 0.1, Position_KD = 0.1;                                       // pid
    static float error, out, Integral_error, error_last;                                           // 误差 输出 积分 上一次误差
    error = Encoder - Target;                                                                      // 求出速度偏差，由测量值减去目标值。
    Integral_error += error;                                                                       // 求出偏差的积分
    out = Position_KP * error + Position_KI * Integral_error + Position_KD * (error - error_last); // 位置式PID控制器
    error_last = error;                                                                            // 保存上一次偏差
    return out;                                                                                    // 增量输出
}
int myabs(int a)
{
    int temp;
    if (a < 0)
        temp = -a;
    else
        temp = a;
    return temp;
}

void Set_pwm(int pwm)
{
    if (pwm > 0)
        AIN1 = 0, AIN2 = 1;
    else
        AIN1 = 1, AIN2 = 0;

    PWMA = myabs(pwm);	//PWMA --> TIM1->CCR1
}
void Xianfu_Pwm(void)
{
    int Amplitude = 99; 
    if (Moto1 < -Amplitude)
        Moto1 = -Amplitude;
    if (Moto1 > Amplitude)
        Moto1 = Amplitude;
}

// 定时器定时调用
/*void AutoReloadCallback()
{
    encoder_speed += Read_Encoder(2);                    // 读取真实速度
                                                         			//printf("Encoder = %d\r\n", encoder_speed);
    Moto1 = Incremental_PI(encoder_speed, target_speed); // PID计算
    Xianfu_Pwm();                                        // 对输出进行限幅
    // printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA);
    Set_pwm(Moto1);

    vofa_sendData(encoder_speed, target_speed, PWMA); // 向上位机发送数据
}*/

void AutoReloadCallback()
{
    encoder_position = Read_Encoder(2); // 读取真实速度
    //printf("Encoder = %d\r\n", encoder_position);
    Moto1 = Position_PID(encoder_position, target_position); // PID计算
    Xianfu_Pwm();                                            // 对输出进行限幅
    // printf("Moto1 = %d\r\n", PWMA);
    Set_pwm(Moto1);
    vofa_sendData(encoder_position, target_position, PWMA); // 向上位机发送数据
}

void TIM4_IRQHandler(void) // 10ms
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        AutoReloadCallback(); // 定时调用
        TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);
        LED1 = !LED1;
    }
}