uPID

Лёгкая универсальная библиотека ПИД-регулятора с опциональными надстройками над алгоритмом

• Ограничение выхода
• Выбор направления регулирования
• Пропорционально ошибке или изменению входа
• Дифференциально ошибке или входу
• Интегральная составляющая:
  • Ограничение интеграла Back Calculation
  • Ограничение интегрирования по насыщению выхода
  • Сброс интеграла при достижении уставки

Совместимость

Совместима со всеми платформами

Содержание

• Использование
• Версии
• Установка
• Баги и обратная связь

Использование

uPID

Стандартный класс. Режимы можно менять во время работы программы, коэффициенты можно писать и читать напрямую в переменные Kp, Ki, Kd.

uPID(uint8_t cfg = 0, uint16_t dt = 30);

float Kp = 0, Ki = 0, Kd = 0;
float Kbc = 0;
float setpoint = 0;
float integral = 0;
float outMax = 255;
float outMin = 0;

float getKp();
float getKi();
float getKd();

void setKp(float p);
void setKi(float i);
void setKd(float d);

// установить конфиг
void setConfig(uint8_t ncfg);

// включить флаг
void setMode(uPID_cfg mode);

// выключить флаг
void clearMode(uPID_cfg mode);

// установить период работы в мс
void setDt(uint16_t ms);

// вычислить (вызывать с заданным периодом). Вернёт выход
float compute(float input);

uPIDfast

Быстрая и лёгкая версия: режим задаётся в шаблоне на этапе компиляции, а коэффициенты можно менять только через set-get. Эта версия на 20 мкс быстрее считается - 67 против 87 мкс (AVR 16 MHz, стандартные настройки).

Также при создании можно указать стороннюю реализацию float, например числа с фиксированной точкой (библиотека fixed), что облегчит код на 1-2 кБ и ускорит до 40 мкс (для процессоров без FPU).

uPIDfast<uint8_t cfg = 0, typename float_t = float>(uint16_t dt = 30);

float_t Kbc = 0;
float_t setpoint = 0;
float_t integral = 0;
float_t outMax = 255;
float_t outMin = 0;

float_t getKp();
float_t getKi();
float_t getKd();

void setKp(float_t p);
void setKi(float_t i);
void setKd(float_t d);

// установить период работы в мс (выполняется долго!)
void setDt(uint16_t ms);

// вычислить (вызывать с заданным периодом). Вернёт выход
float_t compute(float_t input);

Настройка

Режим работы регулятора строится из констант, разделённых |, например:

uPID pid(D_INPUT | P_INPUT | PID_REVERSE);
pid.setConfig(D_INPUT | P_INPUT);
pid.clearMode(P_INPUT);

uPIDfast<D_INPUT | P_INPUT | PID_REVERSE> pidfast;

Tip

Подробнее о модификациях алгоритма и как они вляют на процесс регулирования можно почитать в уроке про ПИД.

Пропорциональная

Один вариант из двух:

• P_ERROR (по умолчанию) - пропорционально ошибке. Классический вариант П-составляющей
• P_INPUT - пропорционально входу. Меняет логику работы регулятора, хорошо подходит для интегрирующих или медленных процессов - например регулятор управляет скоростью (сигналом на мотор), а на вход подаётся позиция (энкодер на этом моторе). В этом случае регулятор должен работать в паре с I составляющей, т.е. быть как минимум PI - интегральная будет задавать основной выход, а пропорциональная - сглаживать его

Интегральная

Один вариант из двух:

• I_KI_OUTSIDE (по умолчанию) - коэффициент за интегралом, классическое уравнение ПИД
• I_KI_INSIDE - коэффициент входит в интеграл

Ограничение интеграла

Можно выбирать в любом сочетании, но I_BACK_CALC является аналогом I_SATURATE и включать их вместе не имеет смысла:

• I_SATURATE - Conditional Integration, отключение интегрирования при насыщении выхода (outMax и outMin должны быть настроены)
• I_BACK_CALC - Back Calculation, умное ограничение интегрирования при насыщении выхода (outMax и outMin должны быть настроены). Работает медленнее, чем I_SATURATE. Интенсивность регулируется коэф-м Kbc - для начала нужно выбрать его равным Ki, далее менять и смотреть за реакцией системы
• I_RESET - автоматический сброс интеграла при достижении уставки

Под "насыщением выхода" имеется в виду его уход из диапазона (outMin.. outMax), в этом случае в обычном ПИДе интегральная сумма начинает бесконтрольно расти в одну сторону и потом долго возвращается обратно - т.н. windup. Библиотека предлагает несколько вариантов решения этой проблемы

Дифференциальная

Один вариант из двух:

• D_ERROR (по умолчанию) - дифференцирование ошибки. Классический вариант Д-составляющей
• D_INPUT - дифференцирование входа. Меньшее влияние шума, полное отсутствие заброса по Д при изменении уставки. Если уставка часто меняется и нужно более динамичное поведение системы в ответ на это - лучше использовать D_ERROR

Направление

Один вариант из двух:

• PID_FORWARD (по умолчанию) - прямой регулятор, выход регулятора должен увеличивать вход (например управление мощностью нагрева, температура на вход регулятора)
• PID_REVERSE - обратный регулятор, выход регулятора должен уменьшать вход (например управление мощностью охлаждения, температура на вход регулятора)

Примеры

#include <uPID.h>

const int dt = 30;
uPID pid(D_INPUT | I_SATURATE);
// uPIDfast<D_INPUT | I_SATURATE> pid;

void setup() {
  // pid.Kp = 10;
  // pid.Ki = 20;
  // pid.Kd = 5;

  pid.setKp(10);
  pid.setKi(20);
  pid.setKd(5);

  // pid.Kbc = 0.1;
  pid.setDt(dt);
  pid.outMax = 255;
  pid.outMin = -255;

  pid.setpoint = уставка;
}

void loop() {
  float result = pid.compute(показания_датчика);
  применить(result);
  delay(dt);
}

Версии

• v1.0

Установка

• Библиотеку можно найти по названию uPID и установить через менеджер библиотек в:
  • Arduino IDE
  • Arduino IDE v2
  • PlatformIO
• Скачать библиотеку .zip архивом для ручной установки:
  • Распаковать и положить в C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries (Windows x64)
  • Распаковать и положить в C:\Program Files\Arduino\libraries (Windows x32)
  • Распаковать и положить в Документы/Arduino/libraries/
  • (Arduino IDE) автоматическая установка из .zip: Скетч/Подключить библиотеку/Добавить .ZIP библиотеку… и указать скачанный архив
• Читай более подробную инструкцию по установке библиотек здесь

Обновление

• Рекомендую всегда обновлять библиотеку: в новых версиях исправляются ошибки и баги, а также проводится оптимизация и добавляются новые фичи
• Через менеджер библиотек IDE: найти библиотеку как при установке и нажать "Обновить"
• Вручную: удалить папку со старой версией, а затем положить на её место новую. "Замену" делать нельзя: иногда в новых версиях удаляются файлы, которые останутся при замене и могут привести к ошибкам!

Баги и обратная связь

При нахождении багов создавайте Issue, а лучше сразу пишите на почту [email protected]
Библиотека открыта для доработки и ваших Pull Request'ов!

При сообщении о багах или некорректной работе библиотеки нужно обязательно указывать:

• Версия библиотеки
• Какой используется МК
• Версия SDK (для ESP)
• Версия Arduino IDE
• Корректно ли работают ли встроенные примеры, в которых используются функции и конструкции, приводящие к багу в вашем коде
• Какой код загружался, какая работа от него ожидалась и как он работает в реальности
• В идеале приложить минимальный код, в котором наблюдается баг. Не полотно из тысячи строк, а минимальный код