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»论坛 › 嵌入式/单片机论坛 › 51单片机 › 好用的模糊PID温度控制算法 C语言源代码
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好用的模糊PID温度控制算法 C语言源代码

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楼主
ID:230216 发表于 2023-4-7 10:16 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  1. #include <string.h>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <math.h>
  4. #include "pid_fuzzy.h"

  6. //注1：自适应模糊pid最重要的就是论域的选择，要和你应该控制的对象相切合
  7. //注2：以下各阀值、限幅值、输出值均需要根据具体的使用情况进行更改
  8. //注3：因为我的控制对象惯性比较大，所以以下各部分取值较小
  9. //论域e:[-5,5]  ec:[-0.5,0.5]

  11. //误差的阀值，小于这个数值的时候，不做PID调整，避免误差较小时频繁调节引起震荡
  12. #define Emin 0.0
  13. #define Emid 0.08
  14. #define Emax 0.6
  15. //调整值限幅，防止积分饱和
  16. #define Umax 5
  17. #define Umin -5

  19. //输出值限幅
  20. #define Pmax 7200
  21. #define Pmin 0

  23. #define NB 0
  24. #define NM 1
  25. #define NS 2
  26. #define ZO 3
  27. #define PS 4
  28. #define PM 5
  29. #define PB 6

  31. int kp[7][7]= {  {PB,PB,PM,PM,PS,ZO,ZO},
  32.     {PB,PB,PM,PS,PS,ZO,ZO},
  33.     {PM,PM,PM,PS,ZO,NS,NS},
  34.     {PM,PM,PS,ZO,NS,NM,NM},
  35.     {PS,PS,ZO,NS,NS,NM,NM},
  36.     {PS,ZO,NS,NM,NM,NM,NB},
  37.     {ZO,ZO,NM,NM,NM,NB,NB}
  38. };

  40. int kd[7][7]= {  {PS,NS,NB,NB,NB,NM,PS},
  41.     {PS,NS,NB,NM,NM,NS,ZO},
  42.     {ZO,NS,NM,NM,NS,NS,ZO},
  43.     {ZO,NS,NS,NS,NS,NS,ZO},
  44.     {ZO,ZO,ZO,ZO,ZO,ZO,ZO},
  45.     {PB,NS,PS,PS,PS,PS,PB},
  46.     {PB,PM,PM,PM,PS,PS,PB}
  47. };

  49. int ki[7][7]= {  {NB,NB,NM,NM,NS,ZO,ZO},
  50.     {NB,NB,NM,NS,NS,ZO,ZO},
  51.     {NB,NM,NS,NS,ZO,PS,PS},
  52.     {NM,NM,NS,ZO,PS,PM,PM},
  53.     {NM,NS,ZO,PS,PS,PM,PB},
  54.     {ZO,ZO,PS,PS,PM,PB,PB},
  55.     {ZO,ZO,PS,PM,PM,PB,PB}
  56. };

  58. /**************求隶属度（三角形）***************/
  59. float FTri(float x,float a,float b,float c)//FuzzyTriangle
  60. {
  61.     if(x<=a)
  62.         return 0;
  63.     else if((a<x)&&(x<=b))
  64.         return (x-a)/(b-a);
  65.     else if((b<x)&&(x<=c))
  66.         return (c-x)/(c-b);
  67.     else if(x>c)
  68.         return 0;
  69.     else
  70.         return 0;
  71. }
  72. /*****************求隶属度（梯形左）*******************/
  73. float FTraL(float x,float a,float b)//FuzzyTrapezoidLeft
  74. {
  75.     if(x<=a)
  76.         return 1;
  77.     else if((a<x)&&(x<=b))
  78.         return (b-x)/(b-a);
  79.     else if(x>b)
  80.         return 0;
  81.     else
  82.         return 0;
  83. }
  84. /*****************求隶属度（梯形右）*******************/
  85. float FTraR(float x,float a,float b)//FuzzyTrapezoidRight
  86. {
  87.     if(x<=a)
  88.         return 0;
  89.     if((a<x)&&(x<b))
  90.         return (x-a)/(b-a);
  91.     if(x>=b)
  92.         return 1;
  93.     else
  94.         return 1;
  95. }
  96. /****************三角形反模糊化处理**********************/
  97. float uFTri(float x,float a,float b,float c)
  98. {
  99.     float y,z;
  100.     z=(b-a)*x+a;
  101.     y=c-(c-b)*x;
  102.     return (y+z)/2;
  103. }
  104. /*******************梯形（左）反模糊化***********************/
  105. float uFTraL(float x,float a,float b)
  106. {
  107.     return b-(b-a)*x;
  108. }
  109. /*******************梯形（右）反模糊化***********************/
  110. float uFTraR(float x,float a,float b)
  111. {
  112.     return (b-a)*x +a;
  113. }
  114. /**************************求交集****************************/
  115. float fand(float a,float b)
  116. {
  117.     return (a<b)?a:b;
  118. }
  119. /**************************求并集****************************/
  120. float forr(float a,float b)
  121. {
  122.     return (a<b)?b:a;
  123. }
  124. float ec;
  125. /*==========   PID计算部分   ======================*/
  126. int PID_realize(PID *structpid,uint16_t s,uint16_t in)
  127. {
  128.     float pwm_var;//pwm调整量
  129.     float iError;//当前误差
  130.     float set,input;

  132.     //计算隶属度表
  133.     float es[7],ecs[7],e;
  134.     float form[7][7];
  135.     int i=0,j=0;
  136.     int MaxX=0,MaxY=0;

  138.     //记录隶属度最大项及相应推理表的p、i、d值
  139.     float lsd;
  140.     int temp_p,temp_d,temp_i;
  141.     float detkp,detkd,detki;//推理后的结果

  143.     //输入格式的转化及偏差计算
  144.     set=(float)s/100.0;
  145.     input=(float)in/100.0;
  146.     iError = set - input; // 偏差

  148.     e=iError;
  149.     ec=iError-structpid->LastError;

  151.     //当温度差的绝对值小于Emax时，对pid的参数进行调整
  152.     if(fabs(iError)<=Emax)
  153.     {
  154.         //计算iError在es与ecs中各项的隶属度
  155.         es[NB]=FTraL(e*5,-3,-1);  //e
  156.         es[NM]=FTri(e*5,-3,-2,0);
  157.         es[NS]=FTri(e*5,-3,-1,1);
  158.         es[ZO]=FTri(e*5,-2,0,2);
  159.         es[PS]=FTri(e*5,-1,1,3);
  160.         es[PM]=FTri(e*5,0,2,3);
  161.         es[PB]=FTraR(e*5,1,3);

  163.         ecs[NB]=FTraL(ec*30,-3,-1);//ec
  164.         ecs[NM]=FTri(ec*30,-3,-2,0);
  165.         ecs[NS]=FTri(ec*30,-3,-1,1);
  166.         ecs[ZO]=FTri(ec*30,-2,0,2);
  167.         ecs[PS]=FTri(ec*30,-1,1,3);
  168.         ecs[PM]=FTri(ec*30,0,2,3);
  169.         ecs[PB]=FTraR(ec*30,1,3);

  171.         //计算隶属度表，确定e和ec相关联后表格各项隶属度的值
  172.         for(i=0; i<7; i++)
  173.         {
  174.             for(j=0; j<7; j++)
  175.             {
  176.                 form[i][j]=fand(es[i],ecs[j]);
  177.             }
  178.         }

  180.         //取出具有最大隶属度的那一项
  181.         for(i=0; i<7; i++)
  182.         {
  183.             for(j=0; j<7; j++)
  184.             {
  185.                 if(form[MaxX][MaxY]<form[i][j])
  186.                 {
  187.                     MaxX=i;
  188.                     MaxY=j;
  189.                 }
  190.             }
  191.         }
  192.         //进行模糊推理，并去模糊
  193.         lsd=form[MaxX][MaxY];
  194.         temp_p=kp[MaxX][MaxY];
  195.         temp_d=kd[MaxX][MaxY];
  196.         temp_i=ki[MaxX][MaxY];

  198.         if(temp_p==NB)
  199.             detkp=uFTraL(lsd,-0.3,-0.1);
  200.         else if(temp_p==NM)
  201.             detkp=uFTri(lsd,-0.3,-0.2,0);
  202.         else if(temp_p==NS)
  203.             detkp=uFTri(lsd,-0.3,-0.1,0.1);
  204.         else if(temp_p==ZO)
  205.             detkp=uFTri(lsd,-0.2,0,0.2);
  206.         else if(temp_p==PS)
  207.             detkp=uFTri(lsd,-0.1,0.1,0.3);
  208.         else if(temp_p==PM)
  209.             detkp=uFTri(lsd,0,0.2,0.3);
  210.         else if(temp_p==PB)
  211.             detkp=uFTraR(lsd,0.1,0.3);

  213.         if(temp_d==NB)
  214.             detkd=uFTraL(lsd,-3,-1);
  215.         else if(temp_d==NM)
  216.             detkd=uFTri(lsd,-3,-2,0);
  217.         else if(temp_d==NS)
  218.             detkd=uFTri(lsd,-3,1,1);
  219.         else if(temp_d==ZO)
  220.             detkd=uFTri(lsd,-2,0,2);
  221.         else if(temp_d==PS)
  222.             detkd=uFTri(lsd,-1,1,3);
  223.         else if(temp_d==PM)
  224.             detkd=uFTri(lsd,0,2,3);
  225.         else if(temp_d==PB)
  226.             detkd=uFTraR(lsd,1,3);

  228.         if(temp_i==NB)
  229.             detki=uFTraL(lsd,-0.06,-0.02);
  230.         else if(temp_i==NM)
  231.             detki=uFTri(lsd,-0.06,-0.04,0);
  232.         else if(temp_i==NS)
  233.             detki=uFTri(lsd,-0.06,-0.02,0.02);
  234.         else if(temp_i==ZO)
  235.             detki=uFTri(lsd,-0.04,0,0.04);
  236.         else if(temp_i==PS)
  237.             detki=uFTri(lsd,-0.02,0.02,0.06);
  238.         else if(temp_i==PM)
  239.             detki=uFTri(lsd,0,0.04,0.06);
  240.         else if (temp_i==PB)
  241.             detki=uFTraR(lsd,0.02,0.06);

  243.         //pid三项系数的修改
  244.         structpid->Kp+=detkp;
  245.         structpid->Ki+=detki;
  246.         //structpid->Kd+=detkd;
  247.         structpid->Kd=0;//取消微分作用

  249.         //对Kp,Ki进行限幅
  250.         if(structpid->Kp<0)
  251.         {
  252.             structpid->Kp=0;
  253.         }
  254.         if(structpid->Ki<0)
  255.         {
  256.             structpid->Ki=0;
  257.         }

  259.         //计算新的K1,K2,K3
  260.         structpid->K1=structpid->Kp+structpid->Ki+structpid->Kd;
  261.         structpid->K2=-(structpid->Kp+2*structpid->Kd);
  262.         structpid->K3=structpid->Kd;

  264.     }

  266.     if(iError>Emax)
  267.     {
  268.         structpid->pwm_out=7200;
  269.         pwm_var = 0;
  270.         structpid->flag=1;//设定标志位，如果误差超过了门限值，则认为当控制量第一次到达给定值时，应该采取下面的 抑制超调 的措施
  271.     }
  272.     else if(iError<-Emax)
  273.     {
  274.         structpid->pwm_out=0;
  275.         pwm_var = 0;
  276.     }
  277.     else if( fabs(iError) < Emin ) //误差的阀值(死区控制??)
  278.     {
  279.         pwm_var = 0;
  280.     }
  281.     else
  282.     {
  283.         if( iError<Emid && structpid->flag==1 )//第一次超过(设定值-Emid(-0.08)摄氏度)，是输出为零，防止超调，也可以输出其他值，不至于太小而引起震荡
  284.         {
  285.             structpid->pwm_out=0;
  286.             structpid->flag=0;
  287.         }
  288.         else if( -iError>Emid)//超过(设定+Emid(+0.08)摄氏度)
  289.         {
  290.             pwm_var=-1;
  291.         }
  292.         else
  293.         {
  294.             //增量计算
  295.             pwm_var=(structpid->K1 * iError  //e[k]
  296.                      + structpid->K2 * structpid->LastError  //e[k-1]
  297.                      + structpid->K3 * structpid->PrevError);    //e[k-2]
  298.         }
  299.         if(pwm_var >= Umax)pwm_var = Umax;      //调整值限幅，防止积分饱和
  300.         if(pwm_var <= Umin)pwm_var = Umin;      //调整值限幅，防止积分饱和

  302.     }
  303.     structpid->PrevError=structpid->LastError;
  304.     structpid->LastError=iError;

  306.     structpid->pwm_out += 360*pwm_var;        //调整PWM输出

  308.     if(structpid->pwm_out > Pmax)structpid->pwm_out = Pmax;    //输出值限幅
  309.     if(structpid->pwm_out < Pmin)structpid->pwm_out = Pmin;    //输出值限幅

  311.     return (int)(structpid->pwm_out); // 微分项
  312. }

  314. void PID_Set(PID *structpid,float Kp,float Ki,float Kd,float T)
  315. {
  316.     (*structpid).Kp=Kp;//Kp*(1+(Td/T));
  317.     (*structpid).Ki=Ki;
  318.     (*structpid).Kd=Kd;
  319.     (*structpid).T=T;

  321.     structpid->K1=structpid->Kp*(1+structpid->Ki+structpid->Kd);
  322.     structpid->K2=-(structpid->Kp+2*structpid->Kp*structpid->Kd);
  323.     structpid->K3=structpid->Kp*structpid->Kd;
  324. }

  326. void PID_Init(PID *structpid)
  327. {
  328.     PID_Set(structpid,8.3,1.2,0,1);
  329.     structpid->flag=0;
  330.     structpid->pwm_out=0;
  331. }
复制代码

pid_fuzzy.h
  1. #ifndef PID_H_
  2. #define PID_H_
  3. #include "stm32f10x.h"

  5. typedef struct PID
  6. {
  7.         float Kp; // 增量式积分系数
  8.         float Ki;
  9.         float Kd;
  10.         float T;
  11.        
  12.         float K1; // 增量式积分系数
  13.         float K2;
  14.         float K3;
  15.         float LastError; //Error[-1]
  16.         float PrevError; // Error[-2]
  17.         float pwm_out;
  18.        
  19.         uint16_t flag;//温度状态标志位
  20. }PID;

  22. //void PID_init(PID *structpid);
  23. void PID_Set(PID *structpid,float Kp,float Ki,float Kd,float T);
  24. int PID_realize(PID *structpid,uint16_t s,uint16_t in);
  25. void PID_Init(PID *structpid);
  26. #endif /* PID_H_ */
复制代码


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沙发
ID:115126 发表于 2023-4-11 09:56 | 只看该作者
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