积分分离 pid

本篇介绍了pid积分分离优化算法。
1、基本思想（为什么要分离积分）
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，每次系统调节完成后，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U，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。
static uint16_t BetaGeneration(float error,float epsilon)
{
uint16_t beta=0;
if(abs(error)<= epsilon)
{
beta=1;
}
return beta;
}
（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：
/定义结构体和公用体/
typedef struct
{
floatsetpoint; //设定值
floatproportiongain; //比例系数
floatintegralgain; //积分系数
floatderivativegain; //微分系数
floatlasterror; //前一拍偏差
floatresult; //输出值
floatintegral;//积分值
float epsilon; //偏差检测阈值
}PID;
接下来实现PID控制器：
void PIDRegulation(PID vPID, float processValue)
{
floatthisError;
thisError=vPID->setpoint-processValue;
vPID->integral+=thisError;
uint16_tbeta= BetaGeneration(error,vPID->epsilon);
if(beta>0)
{
vPID->result=vPID->proportiongainthisError+vPID->derivativegain(thisError-vPID->lasterror);
}
else
{
vPID->result=vPID->proportiongainthisError+vPID->integralgainvPID->integral+vPID->derivativegain(thisError-vPID->lasterror);
}

vPID->lasterror=thisError;
}
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：
/定义结构体和公用体/
typedef struct
{
floatsetpoint; //设定值
floatproportiongain; //比例系数
floatintegralgain; //积分系数
floatderivativegain; //微分系数
floatlasterror; //前一拍偏差
floatpreerror; //前两拍偏差
floatdeadband; //死区
floatresult; //输出值
float epsilon; //偏差检测阈值
}PID;
接下来实现PID控制器：
void PIDRegulation(PID vPID, float processValue)
{
floatthisError;
floatincrement;
floatpError,dError,iError;

thisError=vPID->setpoint-processValue; //得到偏差值
pError=thisError-vPID->lasterror;
iError=thisError;
dError=thisError-2(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
uint16_tbeta= BetaGeneration(error,vPID->epsilon);
if(beta>0)
{
increment=vPID->proportiongainpError+vPID->derivativegaindError; //增量计算
}
else
{
increment=vPID->proportiongainpError+vPID->integralgainiError+vPID->derivativegaindError; //增量计算
}
vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算
vPID->lasterror=thisError;
vPID->result+=increment;
}
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ε、ε、ε、ε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。