C++ PID 控制器

PID 控制器是一种控制回路反馈机制，广泛应用于工程中以维持系统行为。控制器接收输入信号，将其与期望的设定点进行比较，并生成输出信号以驱动系统更接近设定点。在本文中，我们将讨论 C++ 编程语言中的 PID 控制器。

什么是 PID 控制器？

PID 控制器是一种反馈系统，根据期望设定点与系统实际值之间的差异来处理系统行为。控制器使用三个组件——比例、积分和微分——来生成输出信号，将系统驱动到设定点。

1. 比例分量

比例分量与设定点和系统实际值之间的差异成比例。它生成一个与误差成正比的输出信号。比例分量对误差信号的变化提供即时响应，其增益决定了该响应的强度。

2. 积分分量

积分分量对误差信号进行时间累加，并生成一个与累积误差成比例的输出信号。积分分量考虑了过去的误差，并提供了一个相当于误差随时间积分的响应。积分分量通过不断调整控制器输出信号来消除**稳态误差**。

3. 微分分量

微分分量生成一个与误差信号变化率成比例的输出信号。微分分量考虑了未来的误差，并提供了一个与误差随时间微分成比例的响应。微分分量减少了超调并提高了系统的稳定性。

PID 算法

PID 算法是由**比例、积分**和**微分**分量组成的算法。控制器的输出信号是三个分量与其各自增益相乘后的总和。增益由用户设置，用于针对特定系统调整控制器。PID 算法由以下公式给出

输出 = K_p * 误差 + K_i * 积分 + K_d * 微分

其中 K_p、K_i 和 K_d 分别是比例、积分和微分增益，而误差、积分和微分分别是误差项、积分项和微分项。

在 C++ 中实现 PID 控制器

要在 C++ 中实现 PID 控制器，我们首先需要定义控制器中使用的数据类型和变量。我们需要定义设定点、过程变量、误差和输出，以及比例、积分和微分部分的增益。

我们可以定义这些变量如下：

C++ 代码

一旦我们定义了变量，我们就可以编写一个函数来计算控制器的输出。该函数以设定点和过程变量作为输入并返回输出。

C++ 代码

在此函数中，我们首先计算设定点和过程变量之间的误差。然后，我们使用先前的误差值计算误差的积分和误差的微分。最后，我们将使用所有三个增益获得控制器的输出。

调整 PID 控制器

调整 PID 控制器是一个迭代过程，涉及调整增益直到达到所需的响应。有多种方法可以调整控制器，我们将在下面讨论这些方法。

• 手动调整方法

在这种方法中，我们手动调整增益，直到获得我们期望的输出。由于是手动调整增益，这个过程非常耗时，并且需要知识和专业技能。

• Ziegler-Nichols 方法

**Ziegler-Nichols 方法**通常用于调整 PID 控制器。它涉及测量系统的响应并使用一组方程来计算增益。

• Cohen-Coon 方法

**Cohen-Coon 方法**是另一种流行的控制器调整方法。它涉及测量系统的响应并使用一组方程来计算增益。

结论

在本文中，我们讨论了 PID 控制器的基础知识以及如何在 C++ 中实现它。我们还讨论了调整过程和调整控制器的不同方法。

PID 控制器是控制系统中维持期望输出的强大工具。PID 控制器有各种应用，例如控制温度、机器人技术或过程控制等。