经典PID控制器的积分分离优化算法

我们已经讲述了PID控制器的实现，包括位置型PID控制器和增量型PID控制器。但这个实现只是最基本的实现，并没有考虑任何的干扰情况。在本节及后续的一些章节，我们就来讨论一下经典PID控制器的优化与改进。这一节我们首先来讨论针对积分项的积分分离优化算法。

1、基本思想

我们已经讲述了PID控制引入积分主要是为了消除静差，提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分累积，引起超调或者振荡。为了解决这一干扰，人们引入了积分分离的思想。其思路是偏差值较大时，取消积分作用，以免于超调量增大；而偏差值较小时，引入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。

具体的实现步骤是：根据实际情况，设定一个阈值；当偏差大于阈值时，消除积分仅用PD控制；当偏差小于等于阈值时，引入积分采用PID控制。则控制算法可表示为：

其中β称为积分开关系数，其取值范围为：

由上述表述及公式我们可以知道，积分分离算法的效果其实与ε值的选取有莫大关系，所以ε值的选取实际上是实现的难点，ε值过大则达不到积分分离的效果，而ε值过小则难以进入积分区，ε值的选取存在很大的主观因素。

对于经典的增量式PID算法，似乎没有办法由以上的公式推导而来，因为β随着err(k)的变化在不是修改着控制器的表达式。其实我们可以换一种角度考虑，每次系统调节未定后，偏差应该为零，然后只有当设定值改变时，系统才会响应而开始调节。设定值的改变实际上是一个阶跃变化，此时的控制输出记为U0，开始调节时，其调节增量其实与之前的一切没有关系。所以我们就可以以变化时刻开始为起点，而得到带积分分离的增量算法，以保证在启动、停止和快速变化时防止超调。公式如下：

其中β的取值与位置型PID算法一致。可能有人会担心偏差来回变化，造成积分作用的频繁分离和引入，进而使上述的增量表达式无法实现。其实我们分析一下就能发现，在开始时，由于设定值变化引起的偏差大而分离了积分作用，在接近设定值时，偏差变小就引入了积分，一边消除静差，而后处于稳态，直到下一次变化。

2、算法实现

这一部分，我们根据前面对其基本思想的描述，来实现基于积分分离的PID算法实现，同样是包括位置型和增量型两种实现方式。首先我们来看一下算法的实现过程，具体的流程图如下：

有上图我们知道，与普通的PID算法的区别，只是判断偏差的大小，偏差大时，为PD算法，偏差小时为PID算法。于是我们需要一个偏差检测与积分项分离系数β的函数。

 1 static uint16_t BetaGeneration(float error,float epsilon)
 2 
 3 {
 4 
 5   uint16_t beta=0;
 6 
 7   if(abs(error)<= epsilon)
 8 
 9 {
10 
11   beta=1;
12 
13 }
14 
15 return beta;
16 
17 }

（1）位置型PID算法实现

根据前面的分析我们可以很轻松的编写程序，只需要在编写程序时判断偏差以确定是否引入积分项就可以了。同样先定义PID对象的结构体：

 1 /*定义结构体和公用体*/
 2 
 3 typedef struct
 4 
 5 {
 6 
 7   float setpoint;       //设定值
 8 
 9   float proportiongain;     //比例系数
10 
11   float integralgain;      //积分系数
12 
13   float derivativegain;    //微分系数
14 
15   float lasterror;     //前一拍偏差
16 
17   float result; //输出值
18 
19   float integral;//积分值
20 
21   float epsilon; //偏差检测阈值
22 
23 }PID;

接下来实现PID控制器：

 1 void PIDRegulation(PID *vPID, float processValue)
 2 
 3 {
 4 
 5   float thisError;
 6 
 7   thisError=vPID->setpoint-processValue;
 8 
 9   vPID->integral+=thisError;
10 
11   uint16_t beta= BetaGeneration(error, vPID->epsilon);
12 
13   if(beta>0)
14 
15 {
16 
17   vPID->result=vPID->proportiongain*thisError+vPID->derivativegain*(thisError-vPID->lasterror);
18 
19 }
20 
21 else
22 
23 {
24 
25 vPID->result=vPID->proportiongain*thisError+vPID->integralgain*vPID->integral+vPID->derivativegain*(thisError-vPID->lasterror);
26 
27 }
28 
29  
30 
31   vPID->lasterror=thisError;
32 
33 }

与普通的PID算法的区别就是上述代码中增加了偏差判断，来决定积分项的分离与否。

（2）增量型PID算法实现

对于增量型PID控制，我们也可以采取相同的处理。首先定义PID对象的结构体：

 1 /*定义结构体和公用体*/
 2 
 3 typedef struct
 4 
 5 {
 6 
 7   float setpoint;       //设定值
 8 
 9   float proportiongain;     //比例系数
10 
11   float integralgain;      //积分系数
12 
13   float derivativegain;    //微分系数
14 
15   float lasterror;     //前一拍偏差
16 
17   float preerror;     //前两拍偏差
18 
19   float deadband;     //死区
20 
21   float result; //输出值
22 
23   float epsilon; //偏差检测阈值
24 
25 }PID;

接下来实现PID控制器：

 1 void PIDRegulation(PID *vPID, float processValue)
 2 
 3 {
 4 
 5   float thisError;
 6 
 7   float increment;
 8 
 9   float pError,dError,iError;
10 
11  
12 
13   thisError=vPID->setpoint-processValue; //得到偏差值
14 
15   pError=thisError-vPID->lasterror;
16 
17   iError=thisError;
18 
19   dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
20 
21   uint16_t beta= BetaGeneration(error, vPID->epsilon);
22 
23   if(beta>0)
24 
25 {
26 
27 increment=vPID->proportiongain*pError+vPID->derivativegain*dError;   //增量计算
28 
29 }
30 
31 else
32 
33 {
34 
35 increment=vPID->proportiongain*pError+vPID->integralgain*iError+vPID->derivativegain*dError;   //增量计算
36 
37 }
38 
39   vPID->preerror=vPID->lasterror;  //存放偏差用于下次运算
40 
41   vPID->lasterror=thisError;
42 
43   vPID->result+=increment;
44 
45 }

这就实现了增量型PID控制器积分分离算法，也没有考虑任何的干扰条件，仅仅只是对数学公式的计算机语言化。

3、总结

积分分离算法的思想非常简单。当然，对于β的取值，很多人提出了改进措施，例如分多段取值，设定多个阈值ε1、ε2、ε3、ε4等，不过这些阈值也需要根据实际的系统来设定。除了分段取值外，甚至也有采用函数关系来获取β值。当然，这样处理后就不再是简单的积分分离了，特别是在增量型算法中，实际上已经演变为一种变积分算法了。已经偏离了积分分离算法的设计思想，在后面我们会进一步说明。
编辑：hfy