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转C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请
 

本文分两部分，一部分是讲PID算法的实现，另一部分是讲如何用动态的曲线绘制出PID运算的结果。

首先，PID算法的理论模型请参考自动控制理论，最早出现的是模拟PID控制，后来计算机成为控制器，由于计算机控制是一种采样控制，需把模拟PID转换成数字PID，就是模拟PID的离散化，两者中间是香浓定理。当然这些和编程是没关系的，我们只需要有个数字模型就能开展后面的工作了。

 

在编程时，可写成：
 
绝对式计算公式
Uo(n) = P *e(n) + I*[e(n)+e(n-1)+...+e(0)]+ D *[e(n)-e(n-1)]
Uo(n-1) = P *e(n-1) + I*[e(n-1)+e(n-2)+...+e(0)]+ D *[e(n-1)-e(n-2)]
 
二者相减就得到增量式计算公式
Uo = P *（e(n)-e(n-1)) + I*e(n)+ D *[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)]
 
e(n)--------------------------本次误差
 
接下来的任务就是用代码来实现上面的公式了，我把PID运算部分做成一个类Class1供其他程序调用，开始只实现最基本的PID运算，没有考虑从积分分离和死区处理，最重要的代码如下：
 
[csharp] view plain copy
 
  1.  private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue;  
  2.       int MAXLIM, MINLIM;  
  3. //PID valculate  
  4.       public float pidvalc()  
  5.       {  
  6.           err_next = err_last;        //前两次的误差  
  7.           err_last = err;             //前一次的误差  
  8.           err = setvalue - prvalue;   //现在的误差  
  9.   
  10.           //增量式计算  
  11.           prvalue += prakp * ((err - err_last) + praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));  
  12.           //输出上下限值  
  13.           if (prvalue > MAXLIM)  
  14.               prvalue = MAXLIM;  
  15.           if (prvalue < MINLIM)  
  16.               prvalue = MINLIM;  
  17.   
  18.           return prvalue;  
  19.       }  
 
模拟出来的结果是下面这样，出现输出值收敛振荡后稳定下来。
 
 
现在我们对PID运算部分的代码改进一点，增加了积分分离和死区的功能，完整代码如下：
[csharp] view plain copy
 
  1. using System;  
  2. using System.Collections.Generic;  
  3. using System.Linq;  
  4. using System.Text;  
  5.   
  6. namespace PIDtest  
  7. {  
  8.     class Class1  
  9.     {  
  10.         private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue, deadband;  
  11.         int index, UMAX, UMIN, MAXLIM, MINLIM;  
  12.         public float Prakp  
  13.         {  
  14.             set  
  15.             {  
  16.                 prakp = value;  
  17.             }  
  18.             get  
  19.             {  
  20.                 return prakp;  
  21.             }  
  22.         }  
  23.         public float Praki  
  24.         {  
  25.             set  
  26.             {  
  27.                 praki = value;  
  28.             }  
  29.             get  
  30.             {  
  31.                 return praki;  
  32.             }  
  33.         }  
  34.         public float Prakd  
  35.         {  
  36.             set  
  37.             {  
  38.                 prakd = value;  
  39.             }  
  40.             get  
  41.             {  
  42.                 return prakd;  
  43.             }  
  44.         }  
  45.         public float Setvalue  
  46.         {  
  47.             set  
  48.             {  
  49.                 setvalue = value;  
  50.             }  
  51.             get  
  52.             {  
  53.                 return setvalue;  
  54.             }  
  55.         }  
  56.         public Class1()  
  57.         {  
  58.             pidinit();  
  59.         }  
  60.         //PID参数初始化  
  61.         public void pidinit()  
  62.         {  
  63.             prakp = 0;  
  64.             praki = 0;  
  65.             prakd = 0;  
  66.             prvalue = 0;  
  67.             err = 0;  
  68.             err_last = 0;  
  69.             err_next = 0;  
  70.             MAXLIM = 800;  
  71.             MINLIM = -200;  
  72.             UMAX = 310;  
  73.             UMIN = -100;  
  74.             deadband = 2;  
  75.         }  
  76.         //PID valculate  
  77.         public float pidvalc()  
  78.         {  
  79.             err_next = err_last;  
  80.             err_last = err;  
  81.             err = setvalue - prvalue;  
  82.             //抗积分饱和  
  83.             if (prvalue > UMAX)  
  84.             {  
  85.   
  86.                 if (err < 0)  
  87.                     index = 1;  
  88.                 else  
  89.                     index = 0;  
  90.             }  
  91.             else if (prvalue < UMIN)  
  92.             {  
  93.                 if (err > 0)  
  94.                     index = 1;  
  95.                 else  
  96.                     index = 0;  
  97.             }  
  98.                 //积分分离  
  99.             else  
  100.             {  
  101.                 if (Math.Abs(err) > 0.8 * setvalue)  
  102.                     index = 0;  
  103.                 else  
  104.                     index = 1;  
  105.             }  
  106.             //死区  
  107.             if (Math.Abs(err) > deadband)  
  108.                 prvalue += prakp * ((err - err_last) + index * praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));  
  109.   
  110.             else  
  111.                 prvalue += 0;  
  112.             //输出上下限制  
  113.             if (prvalue > MAXLIM)  
  114.                 prvalue = MAXLIM;  
  115.             if (prvalue < MINLIM)  
  116.                 prvalue = MINLIM;  
  117.   
  118.             return prvalue;  
  119.         }  
  120.     }  
  121. }  
再用同样的参数模拟测试，结果如下图，到达稳定的设定值时间快很多，而且没有出现振荡的现象，有明显改善
 
 
第一部分完成对PID的算法实现，接下来开始第二部分动态绘制PID曲线图。
 
开始还纠结于在哪画图，是在FORM上，还是PICTUREBOX上，动态获取的数据放到一个什么样的数组里还是LIST里？然后怎么让曲线实现从左往右的平移？
参考了其他人的程序和资料后，其实不用这么纠结，分开来看这个问题虽然这次是个很小的问题，但跟大的项目思路是一样的，分成图形显示和数据更新两个部分来看，就豁然开朗了。
 
整个思路就是 绘制背景-绘制网格线-获取数据-绘制曲线 这样的循环，循环可以放到一个定时器里。对于使用什么样的容器来存放图形和曲线数据，只是实现的细节不同。
 
我用的在PICTUREBOX里绘图，用一个POINTF[ ]数组来存放一次要显示的所有数据，周期触发PICTUREBOX的PAINT事件，同时把POINTF[ ]里的点坐标Y轴都刷新一次。如果用LIST来存放POINT的坐标值，可以使用方法lRemoveAt() 来移除第一个点，Add( )来实现在尾部加上最新的一个点，从而实现曲线的动态平移。
为了方便以后的重复使用，我做成了一个用户控件的形式UserControl1
 
修改参考的代码如下：
[csharp] view plain copy
 
  1. <pre name="code" class="csharp">using System;  
  2. using System.Collections.Generic;  
  3. using System.ComponentModel;  
  4. using System.Drawing;  
  5. using System.Data;  
  6. using System.Linq;  
  7. using System.Text;  
  8. using System.Windows.Forms;  
  9.   
  10. namespace WindowsFormsControlLibrary2  
  11. {  
  12.     public partial class UserControl1 : UserControl  
  13.     {  
  14.         public UserControl1()  
  15.         {  
  16.             InitializeComponent();  
  17.         }  
  18.         Graphics g;  
  19.         //List<float> l = new List<float>();//储存要绘制的数据  
  20.         Pen p = new Pen(Color.Green, 1);  
  21.         Pen p1 = new Pen(Color.Red, 1);  
  22.         //PointF ptfront = new PointF();  
  23.         //PointF ptbehond = new PointF();  
  24.         private int jiange = 86;//网格间距  
  25.         private int pianyi = 2;//绘图两点之间间隔  
  26.         private float value1;  
  27.         //Random r=new Random ();  
  28.         PointF[] data;  
  29.         public float Value  
  30.         {  
  31.             get  
  32.             {  
  33.                 return value1;  
  34.             }  
  35.             set  
  36.             {  
  37.                 this.value1 = value;  
  38.             }  
  39.         }  
  40.         //获得一个数据  
  41.         private void getdata()  
  42.         {  
  43.             data[data.Length - 1].Y = value1;  
  44.             for (int i = 0; i < data.Length - 1; i++)  
  45.                 data[i].Y = data[i + 1].Y;  
  46.             //放数据到LIST  
  47.             //if (l.Count >= 80)  
  48.             //{  
  49.             //    l.RemoveAt(0);  
  50.             //    l.Add(value1 );  
  51.             //}  
  52.         }  
  53.         //初始化数据存放数组  
  54.         private void UserControl1_Load_1(object sender, EventArgs e)  
  55.         {  
  56.             timer1.Enabled = true;  
  57.             timer1.Interval = 100;  
  58.             //l.Add(0);  
  59.             data = new PointF[pictureBox1.Width / pianyi];  
  60.             for (int i = 0; i < data.Length; i++)  
  61.                 data[i].X += pianyi * i;  
  62.             /* 
  63.             for (int i = 0; i < pictureBox1.Width / pianyi; i++) 
  64.                 { 
  65.                     l.Add(r.Next(50)); 
  66.                 } 
  67.             */  
  68.         }  
  69.   
  70.         private void pictureBox1_Paint_1(object sender, PaintEventArgs e)  
  71.         {  
  72.             g = e.Graphics;  
  73.             //画网格线  
  74.             //for (int i = this.pictureBox1.Width; i >= 0; i -= jiange)  
  75.             //g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Width);  
  76.             //for (int i = this.pictureBox1.Height; i >= 0; i -= jiange)  
  77.             //g.DrawLine(p, 0, i, this.pictureBox1.Width , i);  
  78.             for (int i = 0; i < pictureBox1.Width; i++)  
  79.                 if (i % jiange == 0)  
  80.                     g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Height);  
  81.             for (int i = 0; i < pictureBox1.Height; i++)  
  82.                 if (i % jiange == 0)  
  83.                     g.DrawLine(p, 0, i, pictureBox1.Width, i);  
  84.             //画数据曲线  
  85.             //    ptbehond.X = 0;  
  86.             /* 
  87.             for (int i = 0; i < l.Count - 1; i++) 
  88.             { 
  89.                 ptfront.X = ptbehond.X; 
  90.                 ptfront.Y = l[i]; 
  91.                 ptbehond.X += pianyi; 
  92.                 ptbehond.Y = l[i + 1]; 
  93.                 g.DrawLine(p1, ptfront, ptbehond); 
  94.             } 
  95.              */  
  96.             g.DrawCurve(p1, data);  
  97.         }  
  98.         //绘图刷新周期  
  99.         private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e)  
  100.         {  
  101.             getdata();  
  102.             this.pictureBox1.Refresh();  
  103.         }  
  104.   
  105.     }  
  106. }  






最后，在FORM1中实现用来PID运算的类Class1和用来显示数据曲线的用户控件UserControl1的调用，代码如下：


 









[csharp] view plain copy

 






    

  1. using System;  
    2. 

  2. using System.Collections.Generic;  
    3. 

  3. using System.ComponentModel;  
    4. 

  4. using System.Data;  
    5. 

  5. using System.Drawing;  
    6. 

  6. using System.Linq;  
    7. 

  7. using System.Text;  
    8. 

  8. using System.Windows.Forms;  
    9. 

  9.   
    10. 

  10. namespace PIDtest  
    11. 

  11. {  
    12. 

  12.     public partial class Form1 : Form  

    13. 

  13.     {  
    14. 

  14.         public Form1()  

    15. 

  15.         {  
    16. 

  16.             InitializeComponent();  
    17. 

  17.             timer1.Interval = 5;  
    18. 

  18.             timer1.Enabled = true;  

    19. 

  19.         }  
    20. 

  20.         Class1 pid = new Class1();  

    21. 

  21.         //Random  r = new Random();  

    22. 

  22.         private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)  

    23. 

  23.         {  
    24. 

  24.             userControl11.Value = pid.pidvalc();        
    25. 

  25.         }  
    26. 

  26.         private void button1_Click(object sender, EventArgs e)  

    27. 

  27.         {  
    28. 

  28.             pid.pidinit();  
    29. 

  29.             pid.Setvalue = float.Parse(textBox1setvalue.Text);  

    30. 

  30.             pid.Prakp = float.Parse(textBox1prakp.Text);  

    31. 

  31.             pid.Praki = float.Parse(textBox2praki.Text);  

    32. 

  32.             pid.Prakd = float.Parse(textBox3prakd.Text);  

    33. 

  33.         }  
    34. 

  34.     }  
    35. 

  35. }  
    36. 









 
                    
            
                

                  
 		
                      

                    

                     
                                        
                    
 
                       
                    
                    
 
                      





鲜花




握手




雷人




路过




鸡蛋







 
                    

                    
                     
                    
                    
                    

                     
                    
                  

                   
                  
                   
                  
                

                 
                
                
                
                 
                 
                

  
 
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                    获取网页URL地址及参数等的两种方法(js和C#)发布时间：2022-07-13                    

                

            

                        
            

                

                    
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