转 C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图

C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图

 

本文分两部分，一部分是讲PID算法的实现，另一部分是讲如何用动态的曲线绘制出PID运算的结果。

首先，PID算法的理论模型请参考自动控制理论，最早出现的是模拟PID控制，后来计算机成为控制器，由于计算机控制是一种采样控制，需把模拟PID转换成数字PID，就是模拟PID的离散化，两者中间是香浓定理。当然这些和编程是没关系的，我们只需要有个数字模型就能开展后面的工作了。

在编程时，可写成：

 

绝对式计算公式

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)]

 

二者相减就得到增量式计算公式

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

 

e(n)--------------------------本次误差

 

接下来的任务就是用代码来实现上面的公式了，我把PID运算部分做成一个类Class1供其他程序调用，开始只实现最基本的PID运算，没有考虑从积分分离和死区处理，最重要的代码如下：

 

1. private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue;
2. int MAXLIM, MINLIM;
3. //PID valculate
4. public float pidvalc()
5. {
6. err_next = err_last;        //前两次的误差
7. err_last = err;             //前一次的误差
8. err = setvalue - prvalue;   //现在的误差
9. //增量式计算
10. prvalue += prakp * ((err - err_last) + praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));
11. //输出上下限值
12. if (prvalue > MAXLIM)
13. prvalue = MAXLIM;
14. if (prvalue < MINLIM)
15. prvalue = MINLIM;
16. return prvalue;
17. }

 

模拟出来的结果是下面这样，出现输出值收敛振荡后稳定下来。

 

 

现在我们对PID运算部分的代码改进一点，增加了积分分离和死区的功能，完整代码如下：

1. using System;
2. using System.Collections.Generic;
3. using System.Linq;
4. using System.Text;
5. namespace PIDtest
6. {
7. class Class1
8. {
9. private float prakp, praki, prakd, prvalue, err, err_last, err_next, setvalue, deadband;
10. int index, UMAX, UMIN, MAXLIM, MINLIM;
11. public float Prakp
12. {
13. set
14. {
15. prakp = value;
16. }
17. get
18. {
19. return prakp;
20. }
21. }
22. public float Praki
23. {
24. set
25. {
26. praki = value;
27. }
28. get
29. {
30. return praki;
31. }
32. }
33. public float Prakd
34. {
35. set
36. {
37. prakd = value;
38. }
39. get
40. {
41. return prakd;
42. }
43. }
44. public float Setvalue
45. {
46. set
47. {
48. setvalue = value;
49. }
50. get
51. {
52. return setvalue;
53. }
54. }
55. public Class1()
56. {
57. pidinit();
58. }
59. //PID参数初始化
60. public void pidinit()
61. {
62. prakp = 0;
63. praki = 0;
64. prakd = 0;
65. prvalue = 0;
66. err = 0;
67. err_last = 0;
68. err_next = 0;
69. MAXLIM = 800;
70. MINLIM = -200;
71. UMAX = 310;
72. UMIN = -100;
73. deadband = 2;
74. }
75. //PID valculate
76. public float pidvalc()
77. {
78. err_next = err_last;
79. err_last = err;
80. err = setvalue - prvalue;
81. //抗积分饱和
82. if (prvalue > UMAX)
83. {
84. if (err < 0)
85. index = 1;
86. else
87. index = 0;
88. }
89. else if (prvalue < UMIN)
90. {
91. if (err > 0)
92. index = 1;
93. else
94. index = 0;
95. }
96. //积分分离
97. else
98. {
99. if (Math.Abs(err) > 0.8 * setvalue)
100. index = 0;
101. else
102. index = 1;
103. }
104. //死区
105. if (Math.Abs(err) > deadband)
106. prvalue += prakp * ((err - err_last) + index * praki * err + prakd * (err - 2 * err_last + err_next));
107. else
108. prvalue += 0;
109. //输出上下限制
110. if (prvalue > MAXLIM)
111. prvalue = MAXLIM;
112. if (prvalue < MINLIM)
113. prvalue = MINLIM;
114. return prvalue;
115. }
116. }
117. }

再用同样的参数模拟测试，结果如下图，到达稳定的设定值时间快很多，而且没有出现振荡的现象，有明显改善

 

 

第一部分完成对PID的算法实现，接下来开始第二部分动态绘制PID曲线图。

 

开始还纠结于在哪画图，是在FORM上，还是PICTUREBOX上，动态获取的数据放到一个什么样的数组里还是LIST里？然后怎么让曲线实现从左往右的平移？

参考了其他人的程序和资料后，其实不用这么纠结，分开来看这个问题虽然这次是个很小的问题，但跟大的项目思路是一样的，分成图形显示和数据更新两个部分来看，就豁然开朗了。

 

整个思路就是 绘制背景-绘制网格线-获取数据-绘制曲线 这样的循环，循环可以放到一个定时器里。对于使用什么样的容器来存放图形和曲线数据，只是实现的细节不同。

 

我用的在PICTUREBOX里绘图，用一个POINTF[ ]数组来存放一次要显示的所有数据，周期触发PICTUREBOX的PAINT事件，同时把POINTF[ ]里的点坐标Y轴都刷新一次。如果用LIST来存放POINT的坐标值，可以使用方法lRemoveAt() 来移除第一个点，Add( )来实现在尾部加上最新的一个点，从而实现曲线的动态平移。

为了方便以后的重复使用，我做成了一个用户控件的形式UserControl1

 

修改参考的代码如下：

1. <pre name="code" class="csharp">using System;
2. using System.Collections.Generic;
3. using System.ComponentModel;
4. using System.Drawing;
5. using System.Data;
6. using System.Linq;
7. using System.Text;
8. using System.Windows.Forms;
9. namespace WindowsFormsControlLibrary2
10. {
11. public partial class UserControl1 : UserControl
12. {
13. public UserControl1()
14. {
15. InitializeComponent();
16. }
17. Graphics g;
18. //List<float> l = new List<float>();//储存要绘制的数据
19. Pen p = new Pen(Color.Green, 1);
20. Pen p1 = new Pen(Color.Red, 1);
21. //PointF ptfront = new PointF();
22. //PointF ptbehond = new PointF();
23. private int jiange = 86;//网格间距
24. private int pianyi = 2;//绘图两点之间间隔
25. private float value1;
26. //Random r=new Random ();
27. PointF[] data;
28. public float Value
29. {
30. get
31. {
32. return value1;
33. }
34. set
35. {
36. this.value1 = value;
37. }
38. }
39. //获得一个数据
40. private void getdata()
41. {
42. data[data.Length - 1].Y = value1;
43. for (int i = 0; i < data.Length - 1; i++)
44. data[i].Y = data[i + 1].Y;
45. //放数据到LIST
46. //if (l.Count >= 80)
47. //{
48. //    l.RemoveAt(0);
49. //    l.Add(value1 );
50. //}
51. }
52. //初始化数据存放数组
53. private void UserControl1_Load_1(object sender, EventArgs e)
54. {
55. timer1.Enabled = true;
56. timer1.Interval = 100;
57. //l.Add(0);
58. data = new PointF[pictureBox1.Width / pianyi];
59. for (int i = 0; i < data.Length; i++)
60. data[i].X += pianyi * i;
61. /*
62. for (int i = 0; i < pictureBox1.Width / pianyi; i++)
63. {
64. l.Add(r.Next(50));
65. }
66. */
67. }
68. private void pictureBox1_Paint_1(object sender, PaintEventArgs e)
69. {
70. g = e.Graphics;
71. //画网格线
72. //for (int i = this.pictureBox1.Width; i >= 0; i -= jiange)
73. //g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Width);
74. //for (int i = this.pictureBox1.Height; i >= 0; i -= jiange)
75. //g.DrawLine(p, 0, i, this.pictureBox1.Width , i);
76. for (int i = 0; i < pictureBox1.Width; i++)
77. if (i % jiange == 0)
78. g.DrawLine(p, i, 0, i, this.pictureBox1.Height);
79. for (int i = 0; i < pictureBox1.Height; i++)
80. if (i % jiange == 0)
81. g.DrawLine(p, 0, i, pictureBox1.Width, i);
82. //画数据曲线
83. //    ptbehond.X = 0;
84. /*
85. for (int i = 0; i < l.Count - 1; i++)
86. {
87. ptfront.X = ptbehond.X;
88. ptfront.Y = l[i];
89. ptbehond.X += pianyi;
90. ptbehond.Y = l[i + 1];
91. g.DrawLine(p1, ptfront, ptbehond);
92. }
93. */
94. g.DrawCurve(p1, data);
95. }
96. //绘图刷新周期
97. private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e)
98. {
99. getdata();
100. this.pictureBox1.Refresh();
101. }
102. }
103. }

最后，在FORM1中实现用来PID运算的类Class1和用来显示数据曲线的用户控件UserControl1的调用，代码如下：

 

1. using System;
2. using System.Collections.Generic;
3. using System.ComponentModel;
4. using System.Data;
5. using System.Drawing;
6. using System.Linq;
7. using System.Text;
8. using System.Windows.Forms;
9. namespace PIDtest
10. {
11. public partial class Form1 : Form
12. {
13. public Form1()
14. {
15. InitializeComponent();
16. timer1.Interval = 5;
17. timer1.Enabled = true;
18. }
19. Class1 pid = new Class1();
20. //Random  r = new Random();
21. private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
22. {
23. userControl11.Value = pid.pidvalc();
24. }
25. private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
26. {
27. pid.pidinit();
28. pid.Setvalue = float.Parse(textBox1setvalue.Text);
29. pid.Prakp = float.Parse(textBox1prakp.Text);
30. pid.Praki = float.Parse(textBox2praki.Text);
31. pid.Prakd = float.Parse(textBox3prakd.Text);
32. }
33. }
34. }