转 C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图

2022-10-26 21:09:48

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。

 
转 C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图
 
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
转 C#实现PID控制的模拟测试和曲线绘图
 
 
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. 

  2. using System.Collections.Generic;
    3. 

  3. using System.ComponentModel;
    4. 

  4. using System.Data;
    5. 

  5. using System.Drawing;
    6. 

  6. using System.Linq;
    7. 

  7. using System.Text;
    8. 

  8. using System.Windows.Forms;
    9. 

  9. namespace PIDtest
    10. 

  10. {
    11. 

  11. public partial class Form1 : Form
    12. 

  12. {
    13. 

  13. public Form1()
    14. 

  14. {
    15. 

  15. InitializeComponent();
    16. 

  16. timer1.Interval = 5;
    17. 

  17. timer1.Enabled = true;
    18. 

  18. }
    19. 

  19. Class1 pid = new Class1();
    20. 

  20. //Random  r = new Random();
    21. 

  21. private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
    22. 

  22. {
    23. 

  23. userControl11.Value = pid.pidvalc();
    24. 

  24. }
    25. 

  25. private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
    26. 

  26. {
    27. 

  27. pid.pidinit();
    28. 

  28. pid.Setvalue = float.Parse(textBox1setvalue.Text);
    29. 

  29. pid.Prakp = float.Parse(textBox1prakp.Text);
    30. 

  30. pid.Praki = float.Parse(textBox2praki.Text);
    31. 

  31. pid.Prakd = float.Parse(textBox3prakd.Text);
    32. 

  32. }
    33. 

  33. }
    34. 

  34. }
    35. 









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