基于C++的PID控制设计

《面向对象的Visual C++程序设计》

课程设计报告

学号：

姓名：

专业年级：

河南大学物理与电子学院

测控技术与仪器教研室

PID控制器的面向对象方法实现

1. 面向对象的程序设计方法

面对对象编程（Object-oriented Programming,OOP）

C++是由AT&T Bell（贝尔）实验室的Bjarne Stroustrup 博士及其同事与20世纪80年代在C语言的基础上开发成功的。Ｃ＋＋保留了Ｃ语言原有的所有优点，增加了面向对象的机制。

出发点是为了能更直接的描述客观世界中存在的事物（即对象），以及它们之间的关系。面对对象编程语言将客观事物看作具有属性和行为的对象，通过抽象找出同一类对象的共同属性（静态特性）和行为（动态特性）形成类。通过类的继承与多态可以很方便的实现代码的重用。

抽象

抽象是忽略与与所处理问题无关或非本质的信息，以充分的注意与当前目标有关的特征。封装性，类，对象：将数据及对数据的操作方法放在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体——对象。对同类型的对象抽象出其共性，形成类。

继承性

基类，派生类：继承是一种连接类的层次模型，提供了一种表述共性的方法。新的类可以从现有的类中派生，派生的类可以继承现有类的属性和操作，也可以修改和增加新的操作。

多态性

重载，动态联编：类中具有相似功能的不同函数使用同一个名字来使用，允许不同类的对象对同一个消息作出不同的响应。允许派生类的的对象当作基类的来使用。多态性提高了代码的重用性和可扩展性。

2. PID基本原理

PID代表Proportonal-Integral-Differential，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。

P控制器实质上是一个可调增益的放大器。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

I控制器可以提高系统的性别（无差度），I应发生在系统频率特性的低频段以提高系统的稳态性能。

D能反应输入信号的变化趋势，产生早期的修正信号，增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。应使D发生在频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。

3. C++实现PID 的程序设计

PID 控制器程序流程图：

4. PID 试验结果

采样周期：Ts=0.002; 设定值：Setpoint=100;

1)当只有P 控制器时，响应速度快，波形会出现一定的振荡。

Kp=0.8; //比例增益

Ti=0.0; //积分时间

Td=0.0; //微分时间 开始 PID 控制

初始化PID 控制器参数 FeedBack SetPoint

偏差ek 被控对象

PidOut

2)适当调节积分时间Ti后波形如下：

Kp=6; //比例增益

Ti=0.001; //积分时间

Td=0.0; //微分时间

增加了积分调节后波形变的平滑了

3）最后增加微分调节，以提高动态性能。 Kp=30; //比例增益

Ti=0.0005; //积分时间

Td=0.004; //微分时间

由以上分析知，经过PID综合调节后达到稳定的时间提前了，响应速度快，静态误差变小了，抗干扰能力大大增强。

5. 总结

通过这次课程设计让我巩固了所学的知识，学以致用，对所学的课程有了更深一步的认识。不仅练习了本门课程C++高级语言，而且理解了PID控制的原理和掌握了其是如何实现的。

参考文献

[1]Stanley B.Lippman, Josee Lajoie, Barbara E.Moo著．李诗贤等译.C++ Primer中文版,第四

版．北京：人民邮电出版社，2006.3．

[2] 张福祥，面对对象程序设计基础．北京：高等教育出版社,2004.12．

[3] 胡寿松，自动控制原理简明教程。北京：科学出版社，2008

[4] 百度文库，/view/6a84c522bcd126fff7050b0e.html?from=ec&pos= 3&weight=4&lastweight=3&count=5

附录

PID部分源代码：

//_________头文件pid.h 实现类的定义_________________________

class PID

{

public:

double Ts,Kp,Ti,Td,Setpoint;

double ek,ek_1,ek_2;

PID();

PID (double ts,double kp,double ti,double td,double setpoint);

double pid_out (double pid_in);

~PID (){} //析构函数

};

/****************************************************************主文件pid.cpp主要实现：

*对PID类的成员变量初始化（构造函数重载）

*PID::PID()

*PID::PID(double ts,double kp,double ti,double td,double setpoint)

*成员函数函数double PID::pid_out(double pid_in) //增量式 PID

****************************************************************/ #include "pid.h"

//-------无参的---------------------------------------

PID::PID()

{

Ts=0.002; //采样周期

Kp=30; //比例增益

Ti=0.0005; //积分时间

Td=0.004; //微分时间

Setpoint=100; //设置位置

ek=0; //当前偏差

ek_1=0; //上次偏差

ek_2=0; //前次偏差

}

//-------有参的----------------------------------------------

PID::PID(double ts,double kp,double ti,double td,double setpoint) {

Ts=ts;

Kp=kp;

Ti=ti;

Td=td;

Setpoint=setpoint;

ek=0;