轉 C#實現PID控制的模擬測試和曲線繪圖

C#實現PID控制的模擬測試和曲線繪圖

 

本文分兩部分，一部分是講PID算法的實現，另一部分是講如何用動態的曲線繪制出PID運算的結果。

首先，PID算法的理論模型請參考自動控制理論，最早出現的是模擬PID控制，后來計算機成為控制器，由於計算機控制是一種采樣控制，需把模擬PID轉換成數字PID，就是模擬PID的離散化，兩者中間是香濃定理。當然這些和編程是沒關系的，我們只需要有個數字模型就能開展后面的工作了。

 

在編程時，可寫成：

 

絕對式計算公式

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)]

 

二者相減就得到增量式計算公式

Uo = P *（e(n)-e(n-1)) + I*e(n)+ D *[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)]

 

e(n)--------------------------本次誤差

 

接下來的任務就是用代碼來實現上面的公式了，我把PID運算部分做成一個類Class1供其他程序調用，開始只實現最基本的PID運算，沒有考慮從積分分離和死區處理，最重要的代碼如下：

 

 private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue;
      int MAXLIM, MINLIM;
//PID valculate
      public float pidvalc()
      {
          err_next = err_last;        //前兩次的誤差
          err_last = err;             //前一次的誤差
          err = setvalue - prvalue;   //現在的誤差

          //增量式計算
          prvalue += prakp * ((err - err_last) + praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));
          //輸出上下限值
          if (prvalue > MAXLIM)
              prvalue = MAXLIM;
          if (prvalue < MINLIM)
              prvalue = MINLIM;

          return prvalue;
      }

 

模擬出來的結果是下面這樣，出現輸出值收斂振盪后穩定下來。

 

 

現在我們對PID運算部分的代碼改進一點，增加了積分分離和死區的功能，完整代碼如下：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace PIDtest
{
    class Class1
    {
        private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue, deadband;
        int index, UMAX, UMIN, MAXLIM, MINLIM;
        public float Prakp
        {
            set
            {
                prakp = value;
            }
            get
            {
                return prakp;
            }
        }
        public float Praki
        {
            set
            {
                praki = value;
            }
            get
            {
                return praki;
            }
        }
        public float Prakd
        {
            set
            {
                prakd = value;
            }
            get
            {
                return prakd;
            }
        }
        public float Setvalue
        {
            set
            {
                setvalue = value;
            }
            get
            {
                return setvalue;
            }
        }
        public Class1()
        {
            pidinit();
        }
        //PID參數初始化
        public void pidinit()
        {
            prakp = 0;
            praki = 0;
            prakd = 0;
            prvalue = 0;
            err = 0;
            err_last = 0;
            err_next = 0;
            MAXLIM = 800;
            MINLIM = -200;
            UMAX = 310;
            UMIN = -100;
            deadband = 2;
        }
        //PID valculate
        public float pidvalc()
        {
            err_next = err_last;
            err_last = err;
            err = setvalue - prvalue;
            //抗積分飽和
            if (prvalue > UMAX)
            {

                if (err < 0)
                    index = 1;
                else
                    index = 0;
            }
            else if (prvalue < UMIN)
            {
                if (err > 0)
                    index = 1;
                else
                    index = 0;
            }
                //積分分離
            else
            {
                if (Math.Abs(err) > 0.8 * setvalue)
                    index = 0;
                else
                    index = 1;
            }
            //死區
            if (Math.Abs(err) > deadband)
                prvalue += prakp * ((err - err_last) + index * praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));

            else
                prvalue += 0;
            //輸出上下限制
            if (prvalue > MAXLIM)
                prvalue = MAXLIM;
            if (prvalue < MINLIM)
                prvalue = MINLIM;

            return prvalue;
        }
    }
}

再用同樣的參數模擬測試，結果如下圖，到達穩定的設定值時間快很多，而且沒有出現振盪的現象，有明顯改善

 

 

第一部分完成對PID的算法實現，接下來開始第二部分動態繪制PID曲線圖。

 

開始還糾結於在哪畫圖，是在FORM上，還是PICTUREBOX上，動態獲取的數據放到一個什么樣的數組里還是LIST里？然后怎么讓曲線實現從左往右的平移？

參考了其他人的程序和資料后，其實不用這么糾結，分開來看這個問題雖然這次是個很小的問題，但跟大的項目思路是一樣的，分成圖形顯示和數據更新兩個部分來看，就豁然開朗了。

 

整個思路就是 繪制背景-繪制網格線-獲取數據-繪制曲線 這樣的循環，循環可以放到一個定時器里。對於使用什么樣的容器來存放圖形和曲線數據，只是實現的細節不同。

 

我用的在PICTUREBOX里繪圖，用一個POINTF[ ]數組來存放一次要顯示的所有數據，周期觸發PICTUREBOX的PAINT事件，同時把POINTF[ ]里的點坐標Y軸都刷新一次。如果用LIST來存放POINT的坐標值，可以使用方法lRemoveAt() 來移除第一個點，Add( )來實現在尾部加上最新的一個點，從而實現曲線的動態平移。

為了方便以后的重復使用，我做成了一個用戶控件的形式UserControl1

 

修改參考的代碼如下：

<pre name="code" class="csharp">using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Drawing;
using System.Data;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;

namespace WindowsFormsControlLibrary2
{
    public partial class UserControl1 : UserControl
    {
        public UserControl1()
        {
            InitializeComponent();
        }
        Graphics g;
        //List<float> l = new List<float>();//儲存要繪制的數據
        Pen p = new Pen(Color.Green, 1);
        Pen p1 = new Pen(Color.Red, 1);
        //PointF ptfront = new PointF();
        //PointF ptbehond = new PointF();
        private int jiange = 86;//網格間距
        private int pianyi = 2;//繪圖兩點之間間隔
        private float value1;
        //Random r=new Random ();
        PointF[] data;
        public float Value
        {
            get
            {
                return value1;
            }
            set
            {
                this.value1 = value;
            }
        }
        //獲得一個數據
        private void getdata()
        {
            data[data.Length - 1].Y = value1;
            for (int i = 0; i < data.Length - 1; i++)
                data[i].Y = data[i + 1].Y;
            //放數據到LIST
            //if (l.Count >= 80)
            //{
            //    l.RemoveAt(0);
            //    l.Add(value1 );
            //}
        }
        //初始化數據存放數組
        private void UserControl1_Load_1(object sender, EventArgs e)
        {
            timer1.Enabled = true;
            timer1.Interval = 100;
            //l.Add(0);
            data = new PointF[pictureBox1.Width / pianyi];
            for (int i = 0; i < data.Length; i++)
                data[i].X += pianyi * i;
            /*
            for (int i = 0; i < pictureBox1.Width / pianyi; i++)
                {
                    l.Add(r.Next(50));
                }
            */
        }

        private void pictureBox1_Paint_1(object sender, PaintEventArgs e)
        {
            g = e.Graphics;
            //畫網格線
            //for (int i = this.pictureBox1.Width; i >= 0; i -= jiange)
            //g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Width);
            //for (int i = this.pictureBox1.Height; i >= 0; i -= jiange)
            //g.DrawLine(p, 0, i, this.pictureBox1.Width , i);
            for (int i = 0; i < pictureBox1.Width; i++)
                if (i % jiange == 0)
                    g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Height);
            for (int i = 0; i < pictureBox1.Height; i++)
                if (i % jiange == 0)
                    g.DrawLine(p, 0, i, pictureBox1.Width, i);
            //畫數據曲線
            //    ptbehond.X = 0;
            /*
            for (int i = 0; i < l.Count - 1; i++)
            {
                ptfront.X = ptbehond.X;
                ptfront.Y = l[i];
                ptbehond.X += pianyi;
                ptbehond.Y = l[i + 1];
                g.DrawLine(p1, ptfront, ptbehond);
            }
             */
            g.DrawCurve(p1, data);
        }
        //繪圖刷新周期
        private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e)
        {
            getdata();
            this.pictureBox1.Refresh();
        }

    }
}

最后，在FORM1中實現用來PID運算的類Class1和用來顯示數據曲線的用戶控件UserControl1的調用，代碼如下：

 

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;

namespace PIDtest
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            timer1.Interval = 5;
            timer1.Enabled = true;
        }
        Class1 pid = new Class1();
        //Random  r = new Random();
        private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
        {
            userControl11.Value = pid.pidvalc();
        }
        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            pid.pidinit();
            pid.Setvalue = float.Parse(textBox1setvalue.Text);
            pid.Prakp = float.Parse(textBox1prakp.Text);
            pid.Praki = float.Parse(textBox2praki.Text);
            pid.Prakd = float.Parse(textBox3prakd.Text);
        }
    }
}