第八章-PID-速度控制

8.1-速度控制探索

前面我們已經能夠通過編碼器測量出速度值，下面我們來控制速度

我們先編寫一個簡單的控制方法

要求：講轉速控制再2.9-3.1轉每秒

可以把中斷里面不重要的輸出注釋掉

	if(Motor1Speed>3.1) Motor1Pwm--;
	if(Motor1Speed<2.9) Motor1Pwm++;
	if(Motor2Speed>3.1) Motor2Pwm--;
	if(Motor2Speed<2.9) Motor2Pwm++;
	Motor_Set(Motor1Pwm,Motor2Pwm);
	printf("Motor1Speed:%.2f Motor1Pwm:%drn",Motor1Speed,Motor1Pwm);
	printf("Motor2Speed:%.2f Motor2Pwm:%drn",Motor2Speed,Motor2Pwm);
	
	HAL_Delay(100);

開始實驗

現(xiàn)象就開始電機沒有到達3轉每秒，PWM占空比逐漸增大，電機逐漸達到要求轉速、到達要求轉速后我們增加阻力，電機變慢，阻力大小不邊PWM占空比逐漸更大轉速逐漸更大。

這樣我們就把轉速控制到我們想要的范圍，但是我們并不滿意、能夠看出來控制的速度很慢，給電機一些阻力電機至少要2-3秒能夠調整過來，這在一些場景是不允許的。

我們理想的控制效果是：在電機轉速很慢的是時候能快速調整，在電機一直轉的不能達到要求時候能夠更快速度調整

8.2-準備工作-匿名上位機曲線顯示速度波形方便觀察數(shù)據

為了方便觀察電機速度數(shù)據，我們通過上位機曲線顯示一下。

這里我們使用的上位機是匿名上位機-大佬寫的非常穩(wěn)定功能也很多

我使用的版本是:匿名上位機V7.2.2.8版本推薦大家和我使用一樣
匿名上位機官方下載鏈接:https://www.anotc.com/wiki/匿名產品資料/資料下載鏈接匯總

我們要把STM32數(shù)據發(fā)送到匿名上位機，就要滿足匿名上位機的數(shù)據協(xié)議要求

在匿名上位機資料下載鏈接，可以下載到協(xié)議介紹

• 匿名上位機V7通信協(xié)議，20210528發(fā)布：https://pan.baidu.com/s/1nGrIGWj6qr9DWOcGpKR51g 提取碼：z8d1
• CSDN 慕羽★大佬寫的協(xié)議解析教程博客:https://blog.csdn.net/qq_44339029/article/details/106004997
  1.先補充一下大小端模式
  這是因為在計算機系統(tǒng)中，我們是以字節(jié)為單位的，每個地址單元都對應著一個字節(jié)，一個字節(jié)為 8bit。但是在C語言中除了8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對于位數(shù)大于8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個字節(jié)，那么必然存在著一個如和將多個字節(jié)安排的問題。因此就導致了大端存儲模式和小端存儲模式。例如一個16bit的short型x，在內存中的地址為0x0010，x的值為0x1122，那么0x11為高字節(jié)，0x22為低字節(jié)。對于大端模式，就將0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。
• 所謂的大端模式（BE big-endian），是指數(shù)據的低位保存在內存的高地址中，而數(shù)據的高位，保存在內存的低地址中（低對高，高對低）；
• 所謂的小端模式（LE little-endian），是指數(shù)據的低位保存在內存的低地址中，而數(shù)據的高位保存在內存的高地址中（低對低，高對高）。
  常見的單片機大小端模式：（1）KEIL C51中，變量都是大端模式的，而KEIL MDK中，變量是小端模式的。（2）SDCC-C51是小端尋址，AVRGCC 小端尋址.（3）PC小端，大部分ARM是小端 （4）總起來說51單片機一般是大端模式，32單片機一般是小端模式.
  
  2.看一下上位機要求的協(xié)議
  
  靈活格式幀(用戶自定義幀)
  
  前面我們好理解

0xAA:一個字節(jié)表示開始

0xFF:一個字節(jié)表示目標地址

0xF1:一個字節(jié)表示發(fā)送功能碼

1-40：一個字節(jié)表示數(shù)據長度

數(shù)據內容有多個字節(jié)如何發(fā)送

因為串口每次發(fā)送一個字節(jié)，但是數(shù)據可能是int16_t 16位的數(shù)據，或者int32_t 32位數(shù)據，每次發(fā)送16位數(shù)據,先發(fā)送數(shù)據低八位，還是先發(fā)送數(shù)據高八位那?

匿名協(xié)議通信介紹給出：DATA 數(shù)據內容中的數(shù)據，采用小端模式傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

那么就要求，比如我們在發(fā)送16位數(shù)據0x2314我們要先發(fā)送低字節(jié)0x14,然后發(fā)送高字節(jié)0x23

那么如何解析出低字節(jié)或者高字節(jié)，就需要知道多字節(jié)數(shù)據在單片機里面是怎么存的，因為STM32是小端存儲，所以低字節(jié)就在低位地址中，高字節(jié)高位地址中。

如果使用32單片機 小端模式，0x23高地址，0x14在低地址，所以我們要先發(fā)低地址，再發(fā)高地址。

下面就是對16位數(shù)據，或者32位數(shù)據的拆分

//需要發(fā)送16位,32位數(shù)據，對數(shù)據拆分，之后每次發(fā)送單個字節(jié)
//拆分過程：對變量dwTemp 去地址然后將其轉化成char類型指針，最后再取出指針所指向的內容
#define BYTE0(dwTemp)  (*(char *)(&dwTemp))
#define BYTE1(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 3))

拆分后我們按照協(xié)議要求發(fā)送數(shù)據就可以了

niming.c

#include "niming.h"
#include "main.h"
#include "usart.h"
uint8_t data_to_send[100];

//通過F1幀發(fā)送4個uint16類型的數(shù)據
void ANO_DT_Send_F1(uint16_t _a, uint16_t _b, uint16_t _c, uint16_t _d)
{
    uint8_t _cnt = 0;		//計數(shù)值
    uint8_t sumcheck = 0;  //和校驗
    uint8_t addcheck = 0; //附加和校驗
    uint8_t i = 0;
	data_to_send[_cnt++] = 0xAA;//幀頭
    data_to_send[_cnt++] = 0xFF;//目標地址
    data_to_send[_cnt++] = 0xF1;//功能碼
    data_to_send[_cnt++] = 8; //數(shù)據長度
	//單片機為小端模式-低地址存放低位數(shù)據，匿名上位機要求先發(fā)低位數(shù)據，所以先發(fā)低地址
	data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);       
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_d);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_d);
	 for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
    {
        sumcheck += data_to_send[i];//和校驗
        addcheck += sumcheck;//附加校驗
    }
    data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
    data_to_send[_cnt++] = addcheck;
	HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//這里是串口發(fā)送函數(shù)
}
//，通過F2幀發(fā)送4個int16類型的數(shù)據
void ANO_DT_Send_F2(int16_t _a, int16_t _b, int16_t _c, int16_t _d)   //F2幀  4個  int16 參數(shù)
{
    uint8_t _cnt = 0;
    uint8_t sumcheck = 0; //和校驗
    uint8_t addcheck = 0; //附加和校驗
    uint8_t i=0;
   data_to_send[_cnt++] = 0xAA;
    data_to_send[_cnt++] = 0xFF;
    data_to_send[_cnt++] = 0xF2;
    data_to_send[_cnt++] = 8; //數(shù)據長度
	//單片機為小端模式-低地址存放低位數(shù)據，匿名上位機要求先發(fā)低位數(shù)據，所以先發(fā)低地址
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_d);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_d);
	
	  for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
    {
        sumcheck += data_to_send[i];
        addcheck += sumcheck;
    }

    data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
    data_to_send[_cnt++] = addcheck;
	
	HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//這里是串口發(fā)送函數(shù)
}
//通過F3幀發(fā)送2個int16類型和1個int32類型的數(shù)據
void ANO_DT_Send_F3(int16_t _a, int16_t _b, int32_t _c )   //F3幀  2個  int16 參數(shù)   1個  int32  參數(shù)
{
    uint8_t _cnt = 0;
    uint8_t sumcheck = 0; //和校驗
    uint8_t addcheck = 0; //附加和校驗
    uint8_t i=0;
    data_to_send[_cnt++] = 0xAA;
    data_to_send[_cnt++] = 0xFF;
    data_to_send[_cnt++] = 0xF3;
    data_to_send[_cnt++] = 8; //數(shù)據長度
	//單片機為小端模式-低地址存放低位數(shù)據，匿名上位機要求先發(fā)低位數(shù)據，所以先發(fā)低地址
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_a);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_a);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_b);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_b);
	
    data_to_send[_cnt++] = BYTE0(_c);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE1(_c);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE2(_c);
    data_to_send[_cnt++] = BYTE3(_c);
	
	  for ( i = 0; i < data_to_send[3]+4; i++)
    {
        sumcheck += data_to_send[i];
        addcheck += sumcheck;
    }

    data_to_send[_cnt++] = sumcheck;
    data_to_send[_cnt++] = addcheck;

	HAL_UART_Transmit(&huart1,data_to_send,_cnt,0xFFFF);//這里是串口發(fā)送函數(shù)
}

niming.h

#ifndef  NIMING_H
#define  NIMING_H
#include "main.h"
//需要發(fā)送16位,32位數(shù)據，對數(shù)據拆分，之后每次發(fā)送單個字節(jié)
//拆分過程：對變量dwTemp 去地址然后將其轉化成char類型指針，最后再取出指針所指向的內容
#define BYTE0(dwTemp)  (*(char *)(&dwTemp))
#define BYTE1(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp)  (*((char *)(&dwTemp) + 3))


void ANO_DT_Send_F1(uint16_t, uint16_t _b, uint16_t _c, uint16_t _d);
void ANO_DT_Send_F2(int16_t _a, int16_t _b, int16_t _c, int16_t _d);
void ANO_DT_Send_F3(int16_t _a, int16_t _b, int32_t _c );

#endif 

添加測試代碼

	//電機速度等信息發(fā)送到上位機
	//注意上位機不支持浮點數(shù)，所以要乘100
	ANO_DT_Send_F2(Motor1Speed*100, 3.0*100,Motor2Speed*100,3.0*100);

下面設置上位機-數(shù)據解析

這個是控制效果，并不理想，后面我們介紹PID控制

8.3-P I D 逐個參數(shù)理解

加入的現(xiàn)在 過去 未來概念

p:現(xiàn)在

i:過去

d:未來

那么我們就開始寫PID

PID的結構體類型變量、里面成員都是浮點類型

先在pid.h聲明一個結構體類型、聲明.c中的函數(shù)

#ifndef __PID_H
#define __PID_H

//聲明一個結構體類型
typedef struct 
{
	float target_val;//目標值
	float actual_val;//實際值
	float err;//當前偏差
	float err_last;//上次偏差
	float err_sum;//誤差累計值
	float Kp,Ki,Kd;//比例，積分，微分系數(shù)
	
} tPid;

//聲明函數(shù)
float P_realize(tPid * pid,float actual_val);
void PID_init(void);
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val);
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val);
#endif

然后在pid.c中定義結構體類型變量

#include "pid.h"

//定義一個結構體類型變量
tPid pidMotor1Speed;
//給結構體類型變量賦初值
void PID_init()
{
	pidMotor1Speed.actual_val=0.0;
	pidMotor1Speed.target_val=0.00;
	pidMotor1Speed.err=0.0;
	pidMotor1Speed.err_last=0.0;
	pidMotor1Speed.err_sum=0.0;
	pidMotor1Speed.Kp=0;
	pidMotor1Speed.Ki=0;
	pidMotor1Speed.Kd=0;
}
//比例p調節(jié)控制函數(shù)
float P_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//當前誤差=目標值-真實值
	//比例控制調節(jié)   輸出=Kp*當前誤差
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err;
	return pid->actual_val;
}
//比例P 積分I 控制函數(shù)
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//當前誤差=目標值-真實值
	pid->err_sum += pid->err;//誤差累計值 = 當前誤差累計和
	//使用PI控制 輸出=Kp*當前誤差+Ki*誤差累計值
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum;
	
	return pid->actual_val;
}
// PID控制函數(shù)
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;當前誤差=目標值-真實值
	pid->err_sum += pid->err;//誤差累計值 = 當前誤差累計和
	//使用PID控制 輸出 = Kp*當前誤差  +  Ki*誤差累計值 + Kd*(當前誤差-上次誤差)
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum + pid->Kd*(pid->err - pid->err_last);
	//保存上次誤差: 這次誤差賦值給上次誤差
	pid->err_last = pid->err;
	
	return pid->actual_val;
}

然后在main中要調用PID_init();函數(shù)

  PID_init();

p調節(jié)函數(shù)函數(shù)只根據當前誤差進行控制

//比例p調節(jié)控制函數(shù)
float P_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目標值減去實際值等于誤差值
	//比例控制調節(jié)
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err;
	return pid->actual_val;
}

主函數(shù)-可以估算當p=10 就有較好的響應速度

先看根據p比例控制的效果

p調節(jié) 電機穩(wěn)態(tài)后還是存在誤差。

下面加入i 調節(jié)也就是加入歷史誤差
pi的控制函數(shù)

//比例P 積分I 控制函數(shù)
float PI_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目標值減去實際值等于誤差值
	pid->err_sum += pid->err;//誤差累計求和
	//使用PI控制
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum;
	
	return pid->actual_val;
}

因為實際值1.6的時候誤差為1.4 上次偏差1.4和這次偏差1.4相加2.8 我們乘5 等于10點多就會有較好控制效果
這是pi 調節(jié)的控制效果

下面是PID調節(jié)的

// PID控制函數(shù)
float PID_realize(tPid * pid,float actual_val)
{
	pid->actual_val = actual_val;//傳遞真實值
	pid->err = pid->target_val - pid->actual_val;//目標值減去實際值等于誤差值
	pid->err_sum += pid->err;//誤差累計求和
	//使用PID控制
	pid->actual_val = pid->Kp*pid->err + pid->Ki*pid->err_sum + pid->Kd*(pid->err - pid->err_last);
	//保存上次誤差:最近一次 賦值給上次
	pid->err_last = pid->err;
	
	return pid->actual_val;
}

8.4-加入cJSON方便上位機調參

調大堆棧

軟件開啟中斷

開啟接收中斷

 __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_RXNE);	//開啟串口1接收中斷

中斷回調函數(shù)

uint8_t Usart1_ReadBuf[256];	//串口1 緩沖數(shù)組
uint8_t Usart1_ReadCount = 0;	//串口1 接收字節(jié)計數(shù)
  if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_RXNE))//判斷huart1 是否讀到字節(jié)
  {
		if(Usart1_ReadCount >= 255) Usart1_ReadCount = 0;
		HAL_UART_Receive(&huart1,&Usart1_ReadBuf[Usart1_ReadCount++],1,1000);
  }

編寫函數(shù)用于判斷串口是否發(fā)送完一幀數(shù)據

extern uint8_t Usart1_ReadBuf[255];	//串口1 緩沖數(shù)組
extern uint8_t Usart1_ReadCount;	//串口1 接收字節(jié)計數(shù)

//判斷否接收完一幀數(shù)據
uint8_t Usart_WaitReasFinish(void)
{
	static uint16_t Usart_LastReadCount = 0;//記錄上次的計數(shù)值
	if(Usart1_ReadCount == 0)
	{
		Usart_LastReadCount = 0;
		return 1;//表示沒有在接收數(shù)據
	}
	if(Usart1_ReadCount == Usart_LastReadCount)//如果這次計數(shù)值等于上次計數(shù)值
	{
		Usart1_ReadCount = 0;
		Usart_LastReadCount = 0;
		return 0;//已經接收完成了
	}
	Usart_LastReadCount = Usart1_ReadCount;
	return 2;//表示正在接受中
}

然后我們把cJSON庫放入工程里面

下載cJSON新版

gtihub鏈接:https://github.com/DaveGamble/cJSON

百度網盤鏈接：https://pan.baidu.com/s/1AcNHtZuv5bokMQ2f6QoG7Q

提取碼：a422

和添加其他文件一樣，加入工程，然后指定路徑

編寫解析指令的函數(shù)

#include "cJSON.h"
#include <string.h>
   cJSON *cJsonData ,*cJsonVlaue;

	if(Usart_WaitReasFinish() == 0)//是否接收完畢
	{
		cJsonData  = cJSON_Parse((const char *)Usart1_ReadBuf);
		if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"p") !=NULL)
		{
			cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"p");	
		    p = cJsonVlaue->valuedouble;
			pidMotor1Speed.Kp = p;
		}
		if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"i") !=NULL)
		{
			cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"i");	
		    i = cJsonVlaue->valuedouble;
			pidMotor1Speed.Ki = i;
		}
		if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"d") !=NULL)
		{
			cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"d");	
		    d = cJsonVlaue->valuedouble;
			pidMotor1Speed.Kd = d;
		}
		if(cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"a") !=NULL)
		{
		
			cJsonVlaue = cJSON_GetObjectItem(cJsonData,"a");	
		    a = cJsonVlaue->valuedouble;
			pidMotor1Speed.target_val =a;
		}
		if(cJsonData != NULL){
		  cJSON_Delete(cJsonData);//釋放空間、但是不能刪除cJsonVlaue不然會 出現(xiàn)異常錯誤
		}
		memset(Usart1_ReadBuf,0,255);//清空接收buf，注意這里不能使用strlen	
	}
	printf("P:%.3f  I:%.3f  D:%.3f A:%.3frn",p,i,d,a);

測試發(fā)送cJSON數(shù)據就會解析收到數(shù)據

然后我們賦值改變一個電機的PID參數(shù)和目標轉速
然后我們通過串口發(fā)送命令，就會改變PID的參數(shù)了
這么我們的第八章就弄好了，下篇我們進行第九章-PID整定

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