PID算法应用于室内温度控制的C语言实现

我最近在学习PID算法，对此很感兴趣。所以与大伙分享下，有不足的地方欢迎指出，非常谢谢。

PID算法的基本内容本篇博客就不做阐述了，网上有很多资料。

文章的主题是用C语言实现PID算法。为了更好的理解，我采用软件模拟室内温度控制的方式与大伙分享。

模拟原理很简单，假定23摄氏度为人类舒适的环境。夏天室外温度为37度，我们想要室内保持23左右。所以需要用到PID算法调节。假设室内温度每分钟上升0.1摄氏度，我们拥有制冷剂，每释放一包可降低5摄氏度，有制热剂，同理每放出一包可升高五度（一切为理想状态，房间温度处处相同，每次释放温度控制包都能马上起作用）。

实现起来也很简单，假定放出初始时为37摄氏度，则调用制冷剂函数，使房间温度下降，直到23度左右时停止。转而使用PID算法精调，使之更接近于23摄氏度。到这里假如看懂了，我们可以发散思维，当实际温度在23正负0.5度之内，我们停止加热或者制冷，以节省资源，当温度超出此范围时再调用相应的函数。

具体请看代码，我写了详细的备注，变量名与函数名都是用单词的意思。

  
/*
功能：用软件模拟PID控制温度

模型一：夏天要求室内的温度为23摄氏度左右，假定房间受室外高温影响，1分钟上升0.1摄氏度（上限为室外温度37摄氏度）。
		释放一包制冷剂可降低5摄氏度,一包制热剂，可上升五度，温度变化由传感器采集，但是我用软件模拟温度变化，
		假设一切处于理想状态。

*/

#include "SoftSimulation_PID_Header.h"

int main()
{
	init_PID();

	time_t timep;
	struct tm *tp;
	
	while (1)
	{
		if (pid.ActualTemperature < outdoorTemperature)
		{
			// 获取时间
			time(&timep);
			tp = gmtime(&timep);

			AcquireTemperature(tp->tm_hour,tp->tm_min,tp->tm_sec);
		}

		PID_controlTemperature();

		/* 当温度处于人体舒适的温度时，则不用制冷或加热 */
		while (fabs(pid.SetTemperature - pid.ActualTemperature) < ComfortTemperature)
		{
			// 获取时间
			time(&timep);
			tp = gmtime(&timep);
			
			// 获取计算机时间，10秒钟打印一次
			printf("%d/%d/%d %d/%d/%d\n",1900+tp->tm_year,(1+tp->tm_mon),tp->tm_mday,tp->tm_hour + 8, tp->tm_min,tp->tm_sec);
			printf("Display:设定温度为：%.2f\t室内温度为：%f\t\n\n", pid.SetTemperature, pid.ActualTemperature);			
				
			// 获取实时温度			
			AcquireTemperature(tp->tm_hour, tp->tm_min, tp->tm_sec);
			
			Sleep(500);			
		}
	}
}

/* Acquire indoor Temperature */
void AcquireTemperature(int hour,int minute,int second)
{
	static int lastTime[3] = { 0 };
	static float Minute = 0;
	if (!lastTimeFlag )
	{
		lastTime[0] = hour;
		lastTime[1] = minute;
		lastTime[2] = second;
		lastTimeFlag = 1;
	}
	else
	{
		if (pid.ActualTemperature <= outdoorTemperature)
		{
			Minute = (hour - lastTime[0]) * 60 + (minute - lastTime[1]) + float(second - lastTime[2]) / 60.0;
			pid.ActualTemperature = pid.ActualTemperature + Minute * IncrementTemperature;
				
			lastTime[0] = hour;
			lastTime[1] = minute;
			lastTime[2] = second;
			//printf("Test:设定温度为：%.2f\t室内温度为：%f\t\n\n", pid.SetTemperature, pid.ActualTemperature);
		}
		else
		{
			// 温度升高过快，只记录时间，程序会在PID_controlTemperature函数中处理
			lastTime[0] = hour;
			lastTime[1] = minute;
			lastTime[2] = second;
		}
		
	}
}

/* release the refrigeration */
void Refrigeration()
{
	pid.ActualTemperature = pid.ActualTemperature - 5;
}
/* release the heating */
void Heating()
{
	pid.ActualTemperature = pid.ActualTemperature + 5;
}

/* the PID arithmetic control the temperature of indoor */
void PID_controlTemperature()
{
	if (pid.SetTemperature >= pid.ActualTemperature + TemperatureErr)		
	{
		// 室内温度偏低，调用制热模块
		Heating();
	}
	// 室内温度处于23度左右，使用PID精调
	else if (fabs(pid.SetTemperature - pid.ActualTemperature) < TemperatureErr)
	{
		IncrementPID_realize();    // 增量式PID控制
		//PositionPID_realize();    // 位置式PID控制，两者只要一个就可以了，之所以都贴出来，为了试试两种方式有什么不同
	}
	else if (pid.SetTemperature + TemperatureErr <= pid.ActualTemperature) 
	{
		// 室内温度偏高，调用制冷模块
		Refrigeration();
	}
	else
	{
		printf("区间考虑不周全\n");
	}

}

/* initialize PID */
void init_PID()
{
	pid.Kp = 0.2;
	pid.Ki = 0.015;
	pid.Kd = 0.2;
	pid.SetTemperature = 23.0;
	pid.ActualTemperature = outdoorTemperature;
	lastTimeFlag = 0;
	pid.ErrVal[0] = 0;
	pid.ErrVal[1] = 0;
	pid.ErrVal[2] = 0;
	pid.Integral = 0;

	printf("accomplish initialize PID \n");
}

/* 
功能：使用增量式PID调节 
公式：U(k)+Kp*[E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]    
备注：网上的公式Kp乘以的东西有两种，第一种是Kp*[E(k)-E(k-1)],第二种是Kp*([E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)])
	  这两种我都测试过，都能实现功能，前者更快一些，后者慢，但是我个人喜欢第二种
*/
void IncrementPID_realize()
{
	pid.ErrVal[0] = pid.SetTemperature - pid.ActualTemperature;			// 计算设定值与实际值直接的误差
	float Temp0 = pid.Kp * (pid.ErrVal[0] - pid.ErrVal[1]);
	//float Temp0 = (pid.ErrVal[0] - pid.ErrVal[1]);
	float Temp1 = pid.Ki * pid.ErrVal[0];
	float Temp2 = pid.Kd * (pid.ErrVal[0] - 2 * pid.ErrVal[1] + pid.ErrVal[2]);
	float Increment = Temp0 + Temp1 + Temp2;							// 通过公式计算增量
	// float Increment = pid.Kp * (Temp0 + Temp1 + Temp2);				// 通过公式计算增量
	pid.ActualTemperature += Increment;									// 计算实际温度
	pid.ErrVal[1] = pid.ErrVal[0];
	pid.ErrVal[2] = pid.ErrVal[1];
	//printf("Realize:设定温度为：%.2f\t室内温度为：%.2f\t\n\n", pid.SetTemperature, pid.ActualTemperature);
}

/*
功能：使用位置式PID调节
公式：Kp*(E(k)+Ki*∑E(j)+Kd*[E(k)-E(k-1)])   
备注：参考增量式的备注
*/
void PositionPID_realize()
{
	pid.ErrVal[0] = pid.SetTemperature - pid.ActualTemperature;			// 计算设定值与实际值直接的误差
	pid.Integral += pid.ErrVal[0];
	pid.ActualTemperature = pid.Kp * pid.ErrVal[0] + pid.Ki * pid.Integral + pid.Kd * (pid.ErrVal[0] - pid.ErrVal[1]);
	pid.ErrVal[1] = pid.ErrVal[0];
}

头文件如下：

#include 
#include
#include
#include
#include

typedef struct PID_Value
{
	float ErrVal[3];			// 三次误差值
	float Kp;					// 比例系数
	float Ki;					// integral 系数
	float Kd;					// derivative 系数
	float Integral;				// 积分
	float SetTemperature;
	float ActualTemperature;
}PID_ValueStr,*PID_ValueT;

PID_Value pid;

#define		outdoorTemperature		36.2
#define		TemperatureErr			3
#define		ComfortTemperature		0.5
#define		IncrementTemperature	1			// 每分钟房间上升的温度

int lastTimeFlag = 0;

void AcquireTemperature(int hour, int minute, int second);
void PID_controlTemperature();
void Refrigeration();
void init_PID();
void IncrementPID_realize();
void PositionPID_realize();

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