PID算法C语言程序STM32单片机控制水温实验（一、位置型PID）

2023-04-02 04:45| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、概述

实验所用器材均为容易买到的设备，主要有STM32F103C8T6最小系统板、DS18B20温度传感器、继电器模块、TM1638显示模块、电加热棒（12V/80W）、直流电源适配器（12V/10A），再找一个小一些的玻璃杯（水250ml），所有设备如下图。在这里插入图片描述

DS18B20温度传感器单片机C语言驱动程序； TM1638显示模块驱动程序可参考TM1638显示板（8数码管+8LED+8按键）驱动程序（显示功能）、TM1638驱动显示板（8数码管+8LED+8按键）单片机C语言程序（按键功能）完整工程已上传至PID算法C语言程序STM32单片机控制水温实验。三、主要代码

位置型PID算法原理不再描述，直接上代码： PID.h文件：

/******************************************************************************* * 文件：PID.h * 作者：https://blog.csdn.net/wanglong3713 * 版本：v1.0 * 日期：2021-8-10 * 说明：电加热加热水，温度控制，PID算法 *******************************************************************************/ #ifndef _PID_H_ #define _PID_H_ #include "gpio.h" #define HeaterOn() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET) #define HeaterOff() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET) typedef struct { int32_t s32Error;//当前误差 int32_t s32LastError;//上次误差 int32_t s32ErrSum;//误差积分 int32_t s32ErrDiffer;//当前误差的微分 }PIDError_ts; typedef union { uint8_t byte; struct { uint8_t bPIDCycle: 1;//0控制周期到标志 uint8_t bHeaterOn: 1;//加热管开标志 uint8_t b2: 1; uint8_t b3: 1; uint8_t b4: 1; uint8_t b5: 1; uint8_t b6: 1; uint8_t b7: 1; }bt; }PIDFlag_tu; void PID_Init(void); bool PID_GetHeaterState(void); void PID_ModifySetTemper(uint32_t u16Temper); uint32_t PID_GetSetTemper(void); void PID_Control(void); void PID_Task100Ms(void); #endif /***********************************END OF FILE********************************/

PID.c文件

/******************************************************************************* * 文件：PID.c * 作者：https://blog.csdn.net/wanglong3713 * 版本：v1.0 * 日期：2021-8-10 * 说明：电加热加热水，温度控制，PID算法 *******************************************************************************/ #include "Timer.h" #include "DS18B20.h" #include "PID.h" #include "string.h" #include "Debug.h" #define HEATER_ON 0x01 #define HEATER_OFF 0x00 #define SET_TEMPER_DEFAULT (45*100)//默认设定45 #define PID_CONTROL_PERIOD (600)//PID调节周期，单位100ms #define DELAY_TIME 30//*100ms,延时，温度稳定后再控制 static uint8_t u8PID_Delay100Ms;//上电延时，温度稳定后再控制 static uint16_t u32PID_SetTemper;//设定温度*10 static uint16_t u16PID_HeaterOn100Ms;//电加热需要开启的时间 static uint16_t u16PID_Cycle100Ms;//PID周期计时 static PIDError_ts sPID_Para; static PIDFlag_tu uPID_Flag; const uint16_t u16PID_Coefficient[] =//放大100倍 { 4000,//Kp 1,//Ki 0//Kd }; /******************************************************************************* * 函数名：PID_SetHeaterState * 功能：开关电加热 * 参数：bState电加热状态 * 返回值：无 * 说明：同时设置标志位 *******************************************************************************/ void PID_SetHeaterState(bool bState) { if (bState == HEATER_OFF) { HeaterOff(); uPID_Flag.bt.bHeaterOn = 0; }else { HeaterOn(); uPID_Flag.bt.bHeaterOn = 1; } } /******************************************************************************* * 函数名：PID_GetHeaterState * 功能：返回电加热状态 * 参数：uPID_Flag.bt.bHeaterOn * 返回值：无 * 说明：无 *******************************************************************************/ bool PID_GetHeaterState(void) { return (uPID_Flag.bt.bHeaterOn ? 1 : 0); } /******************************************************************************* * 函数名：PID_ModifySetTemper * 功能：修改设定温度 * 参数：u32Temper温度值 * 返回值：无 * 说明：无 *******************************************************************************/ void PID_ModifySetTemper(uint32_t u32Temper) { u32PID_SetTemper = u32Temper; } /******************************************************************************* * 函数名：PID_GetSetTemper * 功能：获取设定温度 * 参数：u32PID_SetTemper设定温度值 * 返回值：无 * 说明：无 *******************************************************************************/ uint32_t PID_GetSetTemper(void) { return u32PID_SetTemper; } /******************************************************************************* * 函数名：PID_HeaterOnTimeCalculate * 功能：电加热开启时间计算 * 参数：u32SetTemper设定温度 u32WaterTemper实际水温 * 返回值：u16HeaterOn100ms开启时间，单位100ms * 说明：位置型PID算法 *******************************************************************************/ uint16_t PID_HeaterOnTimeCalculate(uint32_t u32SetTemper, uint32_t u32WaterTemper) { uint16_t u16HeaterOn100ms = 0; int32_t s32Percent = 0;//输出的百分比*100，占空比 sPID_Para.s32Error = (int32_t)u32SetTemper - (int32_t)u32WaterTemper;//误差 if (sPID_Para.s32Error > (10 * 100))//误差大，输出100% { s32Percent = 100; memset(&sPID_Para, 0x00, sizeof(sPID_Para));//PID参数清零 }else if (sPID_Para.s32Error sPID_Para.s32ErrSum += sPID_Para.s32Error;//积分 sPID_Para.s32ErrDiffer = sPID_Para.s32Error - sPID_Para.s32LastError;//误差微分 s32Percent = (int32_t)u16PID_Coefficient[0] * sPID_Para.s32Error//比例 + (int32_t)u16PID_Coefficient[1] * sPID_Para.s32ErrSum//积分 + (int32_t)u16PID_Coefficient[2] * sPID_Para.s32ErrDiffer;//微分 s32Percent /= 10000;//系数*100，温度*100，所以要除以1000 sPID_Para.s32LastError = sPID_Para.s32Error;//保存上次误差 if (s32Percent if (s32Percent > 100) { s32Percent = 100; } } } u16HeaterOn100ms = (uint16_t)(s32Percent * PID_CONTROL_PERIOD / 100);//百分比应除以100 return u16HeaterOn100ms; } /******************************************************************************* * 函数名：App_PID_CycleProcess * 功能：控制周期定时计算 * 参数：无 * 返回值：无 * 说明：100ms运行一次 *******************************************************************************/ void PID_CycleProcess(void) { float fTemper = 0.0; if (u8PID_Delay100Ms >= DELAY_TIME)//延时到 { if (u16PID_Cycle100Ms u16PID_Cycle100Ms = 0; uPID_Flag.bt.bPIDCycle = 0;//控制周期到 } if (((u16PID_Cycle100Ms % 10) == 0) && (u16PID_Cycle100Ms > 0))//每秒打印一次温度 { fTemper = (float)DS18B20_GetTemper() / 100.0; printf(" %.1f", fTemper); } }else { u16PID_Cycle100Ms = 0; } } /******************************************************************************* * 函数名：PID_HeaterControl * 功能：电加热控制 * 参数：无 * 返回值：无 * 说明：计算出需要开启的时间，再与运行时间比较 *******************************************************************************/ void PID_HeaterControl(void) { uint32_t u32WaterTemper = 0; if (u8PID_Delay100Ms >= DELAY_TIME)//延时到 { if (!uPID_Flag.bt.bPIDCycle)//控制周期到 { uPID_Flag.bt.bPIDCycle = 1; u32WaterTemper = DS18B20_GetTemper(); u16PID_HeaterOn100Ms = PID_HeaterOnTimeCalculate(u32PID_SetTemper, u32WaterTemper); } if (u16PID_Cycle100Ms PID_SetHeaterState(HEATER_ON); } }else { PID_SetHeaterState(HEATER_OFF); } } } /******************************************************************************* * 函数名：PID_Delay100MsProcess * 功能：延时时间处理 * 参数：无 * 返回值：无 * 说明：上电延时几秒，待温度稳定后再控制加热管 *******************************************************************************/ void PID_Delay100MsProcess(void) { if (u8PID_Delay100Ms u32PID_SetTemper = SET_TEMPER_DEFAULT; memset(&sPID_Para, 0x00, sizeof(sPID_Para)); u8PID_Delay100Ms = 0; u16PID_HeaterOn100Ms = 0; uPID_Flag.byte = 0; u16PID_Cycle100Ms = 0; PID_SetHeaterState(HEATER_OFF); } /******************************************************************************* * 函数名：PID_Task100Ms * 功能：每10ms执行的任务 * 参数：无 * 返回值：无 * 说明：无 *******************************************************************************/ void PID_Task100Ms(void) { PID_Delay100MsProcess(); PID_CycleProcess(); PID_HeaterControl(); } /***********************************END OF FILE********************************/ 四、实验结果

室温约23℃，将水在室温中静置较长时间，使水温与环境温度达到平衡后，开始实验。设定温度为默认的45.0℃。下图为串口助手收到的部分数据：在这里插入图片描述下图为绘制的水温变化曲线，横轴每个点为1秒的时间，可看出超调量最大约1.1℃，约10min后水温恒定在45℃附近，误差很小。

五、总结本实验微分参数Kd设为0，实际在系统简单、精度要求不高的工业应用中，采用P、PI控制基本可满足要求；如果没有系统的数学模型，可采用试凑法、口诀等，不断尝试参数；如果有数学模型，如传递函数等，可通过MATLAB等软件通过仿真选择合适的参数。

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