目录
概述
1 系统框架和算法
1.1 框架结构介绍
1.2 PID算法实现
1.2.1 理论介绍
1.2.2 离散化位置式PID
1.2.3 位置式PID算法
2 STM32Cube 配置项目
2.1 配置参数
2.2 GENERATE项目
3 功能实现
3.1 ADC采样数据功能
3.2 DAC数据转换
3.3 PID相关的调制函数
4 测试
4.1 编写测试代码
4.2 运行结果
源代码下载地址：
使用PID算法实现DAC模拟量输出的快速调节资源-CSDN文库
概述
本文主要介绍一个PID在实际项目应用的案例，通过ADC采样DAC的输出结果，调整使其快速到达期望的结果，系统基于STM32F103RC，使用DAC输出模拟量，ADC采集该模拟量作为反馈信号，以实现系统的闭环控制。
1 系统框架和算法
1.1 框架结构介绍
MCU内核处理数据： 设置DAC的初始值，读取ADC模块反馈回来的数值，内部进行PID运算，并将运算结果发送给DAC模块，重新输出数据。
DAC输出模拟量： 经过MCU计算后，将运行结果通道DAC模块输出
ADC采集输出数据：ADC模块采集DAC输出的模拟量，将其转换为数据值，MCU应用该值和输出量进行比较，以确定是否还需要继续调节输出数值
1.2 PID算法实现
1.2.1 理论介绍
PID 算法是闭环控制系统中常用的算法， PID 分别是 Proportion（比例）、 Integral（积分）、
Differential（微分）的首字母缩写。它是一种结合比例、积分和微分三个环节于一体的闭环控制算法。具体的控制流程如下图所示：
通过将输入目标值和实际输出值进行偏差的计算，然后把计算结果输入到 PID控制算法中，经过比例、积分和微分三个环节的运算，运算后的输出作用于执行器，从而让系统的实际值逐渐靠近目标值。连续控制的理想 PID 控制规律：
• Kp —— 比例增益， Kp 与比例度成倒数关系
• Tt —— 积分时间常数
• TD —— 微分时间常数
• u（t）—— PID 控制器的输出信号
• e（t）—— 给定值 r（t）与测量值误差
1.2.2 离散化位置式PID
对离散式的PID公式进行运算，则 u(k) 可表示为：
进一步进行简化，则得出PID的标准公式：
参数介绍
• k 采样的序号
• err(k) 第 k 次的误差
• u(k) 输出量
• Kp 比例参数
• Ki=Kp*T/Ti 积分参数
• Kd=Kp*Td/T 微分参数
1.2.3 位置式PID算法
typedef struct
{float target_val; //目标值float actual_val; //实际值float err; //定义偏差值float err_last; //定义上一个偏差值float Kp,Ki,Kd; //定义比例、积分、微分系数float integral; //定义积分值
}_pid;_pid pid_location;void pid_param_init(void)
{/* 位置相关初始化参数 */pid_location.target_val = 20;pid_location.actual_val=0.0;pid_location.err=0.0;pid_location.err_last=0.0;pid_location.integral=0.0;pid_location.Kp = 0.045;pid_location.Ki = 0.0;pid_location.Kd = 0.0;} float pid_location_realize(_pid *pid, float actual_val)
{/*计算目标值与实际值的误差*/pid->err=pid->target_val-actual_val;/* 设定闭环死区 */if((pid->err >= -20) && (pid->err <= 20)){pid->err = 0;pid->integral = 0;}pid->integral += pid->err; // 误差累积/*PID算法实现*/pid->actual_val = pid->Kp*pid->err+pid->Ki*pid->integral+pid->Kd*(pid->err-pid->err_last);/*误差传递*/pid->err_last=pid->err;/*返回当前实际值*/return pid->actual_val;
}2 STM32Cube 配置项目
2.1 配置参数
1）配置DAC参数，使用DAC2模块，选择PA5作为输出IO
DAC相关参数配置
2）配置ADC参数，选择ADC1，通道号为IN2
ADC1参数配置
ADC1对应的DMA配置
使能DMA1中断
2.2 GENERATE项目
配置完成参数后，点击GENERATE生成项目，具体目录结构如下：
3 功能实现
端口介绍：
PA2: 模拟量ADC的输入端口
PA5: 模拟量DAC的输出端口
3.1 ADC采样数据功能
实现功能：
1）使能ADC模块
2）数据处理
3）DMA调用ADC相关的回调函数
typedef struct
{uint8_t sta : 2; //00: IELD, 01: Ready 02: Fail 11: unuseuint8_t res : 6;
} Status_bit;typedef struct
{uint16_t adcRaw;union{uint8_t status;Status_bit status_bit;};}Stru_GetAdc;static uint32_t adcDMAValue[2];
Stru_GetAdc struc_GetAdc;void ADC_ConvInit( ADC_HandleTypeDef* hadc )
{HAL_ADC_Start_DMA(hadc, adcDMAValue, 4);
}void ADC_HandleDataPackets( void )
{uint16_t adcvalueList[4];uint32_t value=0;adcvalueList[0] = adcDMAValue[0]&0x0000ffff;adcvalueList[1] = (adcDMAValue[0]>>16)&0x0000ffff;adcvalueList[2] = adcDMAValue[1]&0x0000ffff;adcvalueList[3] = (adcDMAValue[1]>>16)&0x0000ffff;value = 0;for( int i =0; i< 4; i++ ){value += adcvalueList[i]; }struc_GetAdc.adcRaw = value>>2;struc_GetAdc.status_bit.sta = 1;
}void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{if(hadc->Instance == ADC1){HAL_ADC_Stop_DMA(hadc); // stop to convert adc value ADC_HandleDataPackets();HAL_ADC_Start_DMA(hadc, adcDMAValue, 4); // start to convert adc value}
}3.2 DAC数据转换
功能介绍：
设置对应通道需要转换的数字量
void DAC_SetConvert(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel, uint16_t value)
{HAL_DAC_SetValue( hdac, Channel, DAC_ALIGN_12B_R,value );
}3.3 PID相关的调制函数
代码73行： 获取当前ADC的值
代码74行：获取PID的期望值
代码75行： 比较期望值和实际值的误差
代码78行：使用当前的ADC值进行PID运算
代码80行：设置DAC的输出值
详细源代码：
void ADC_DAC_MatchByPID( void )
{bool is_match;uint32_t current_val,cal_value;{current_val = struc_GetAdc.adcRaw;cal_value = pid_get_target(&pid_speed);is_match = abs((int)((current_val- cal_value))) > 5 ? false : true;if( !is_match ){cal_value = pid_speed_realize(&pid_speed, current_val);cal_value = cal_value > MAX_VALE ? MAX_VALE: cal_value;DAC_SetConvert( &hdac, DAC_CHANNEL_2, cal_value );}printf("ADC Raw Count: %04d , voltage: %0.2f V \r\n",current_val, (current_val*3.3)/4096 );}
}4 测试
4.1 编写测试代码
代码96行：初始化PID数据结构
代码97行：设置期望值
代码97行：设置P,I,D三个参数的值
详细源码：
void voltage_InitPara( void )
{pid_param_init();pid_set_target( &pid_speed, 3400);pid_set_para(&pid_speed, 0.5, 0.1, 0.1);
}4.2 运行结果
编译代码，下载到板卡中运行.
测试1： 期望值RAW = 3400，误差delta < 5对应实际电压值V = 2.74V
稳定前的值：
稳定后的值：
测试2： 期望值RAW = 1400，误差delta < 5，对应实际电压值V = 1.12V
void voltage_InitPara( void )
{pid_param_init();pid_set_target( &pid_speed, 1400);pid_set_para(&pid_speed, 0.5, 0.1, 0.1);
}稳定前的值：
稳定后的值：
