c语言使用面向对象封装思想，实现PID控制器

面向对象编程是一种抽象。其特质之一为封装。

我们在编程的时候，常讲的模块化编程，而如何去将其模块化，就是我们在设计时的对程序的一种抽象。如果有重构的经验的同学，应该更能体会，某一天发现自己的以前的某个功能模块不满足需求，或者耦合太严重，那么就会有种重写的冲动。当然希望大家会喜欢这种感觉，因为在这个过程中，所锻炼的自己的抽象能力，以及那种把控，设计数据结构，接口是追求代码的极致。

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使用c的struct写c++的class

接下来会以写一个PID控制器模块，使用封装的思想，如何用c的struct模仿c++的class的过程（或者说c++是怎么实现类的）。

希望带给大家一些新的收获

1. 封装的思想
2. pid的实现
3. 函数指针
4. class的实现

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PID控制器

不介绍过多，PID控制器是经典控制，也是现在应用最多的控制器。其原理很简单，它由比例，积分，微分构成。所以也就很哲学，分别调节着系统的现在、过去、未来。

它的调节其实很容易代入理解，比如我们在洗澡的时候调节我们喜欢的温度一样，根据我们感受的温度：

1. 比例：一点点的打开开关，
2. 积分：开了这么多次，怎么还是冷的，根据一段时间的感受，认为应该调大点
3. 微分：突然很烫，再开大点，肯定更烫，调小。根据这两次感受，预测未来。

如果不了解的同学可以网上多看看其他的介绍。学习总是一个过程，如果没有系统学过控制理论，仅仅使用，可以不用过于计较一些理论的东西，我们在使用的场合可能并不能，或者不好进行建模，当然去系统的学习一下最好了。

PID的离散化公式

在时域下的公式：
$$u\left(x\right)=K_p\left(e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\int }_0^{t}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\right)$$
离散化后
$$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\frac{K_{p}T}{T_i}\sum _{n=0}^{k}e\left(n\right)+\frac{K_p{T}_d}{T}\left(e\left(k\right)-e\left(k-1\right)\right)$$
$$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\sum _{n=0}^{k}e\left(n\right)+K_d\left(e\left(k\right)-e\left(k-1\right)\right)$$

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在我们考虑设计一个模块的时候

1. 模块最终的输入输出是什么
2. 设计的接口有哪些
3. 设计模块需要的数据结构：需要哪些变量，数组？比如队列管理？list？
4. 如何去实现具体的功能

粗略设计PID模块

1. 模块最终的输入输出是什么
   • 输入err，得到控制输出
2. 设计的接口
   • 设置kp，ki，kd参数的接口
   • 设置积分限幅的接口
   • 控制器输出接口
3. 设计模块需要的数据结构
   • 需要的变量
4. 去实现具体的功能
   • 单P控制器
   • PI控制器
   • PID控制器

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我们使用struct仿class的.h文件：

/***************************************************************
  *  @Copyright(C)  2020-2021,  wangchongwei
  *  @FileName:  pid.h
  *  @Author:  wangchongwei
  *  @Version:  0.1.0
  *  @LastDate:  2021.7.31
  ************************************************************/
#ifndef  _PID_H_
#define  _PID_H_

#ifdef  __cplusplus
extern  "C"  {
#endif

struct  PID
{
  /*  set  kp  ki  kd  */
  void  (*  SetCtrlPrm)(struct  PID  *self,  float  kp,  float  ki,  float  kd);
  /*  set  integral  range  */
  void  (*  SetIntegralPrm)(struct  PID  *self,  float  integral_up,  float  integral_low);

  /*  Controller  interface  */
  float  (*  P)(struct  PID  *self,  float  err);
  float  (*  PI)(struct  PID  *self,  float  err);
  float  (*  PID)(struct  PID  *self,  float  err);

  /*  in  value  */
  float  err;
  
  /*  out  value  */
  float  out;
  
  /*  private  */
  struct  
  {
  float  kp;
  float  ki;
  float  kd;
 
  float  integral_up;
  float  integral_low;
  float  sum;
  float  pre_err;
  }pri;
};

//  Object  construction
void  PID_Constructor(struct  PID  *self);

#ifdef  __cplusplus
}
#endif

#endif  /*_FPID_H_*/

.c文件如下

/***************************************************************
 * @Copyright(C)    2020-2021, wangchongwei 
 * @FileName:       pid.c
 * @Author:         wangchongwei
 * @Version:        0.1.0
 * @LastDate:       2021.7.31
 ************************************************************/
#include "pid.h"

// 设置控制参数
static void _SetCtrPrm(struct PID *self, float kp, float ki, float kd)
{
    self->pri.kp = kp;
    self->pri.ki = ki;
    self->pri.kd = kd;
}

// 设置积分限幅
static void _SetIntegralPrm(struct PID *self, float integral_up, float integral_low)
{
    self->pri.integral_up = integral_up;
    self->pri.integral_low = integral_low;
}

// 比例控制器
static float _P(struct PID *self, float err)
{
    self->err = err;
    self->out = self->err * self->pri.kp;

    return self->out;
}

// 比例积分控制器
static float _PI(struct PID *self, float err)
{
    self->err = err;
    // kp*err+ki*err_sum
    self->out = self->pri.kp * self->err + self->pri.ki * self->pri.sum;

    // 误差积分
    self->pri.sum += self->err;

    // 积分限幅
    if (self->pri.sum > self->pri.integral_up) self->pri.sum = self->pri.integral_up;
    if (self->pri.sum < self->pri.integral_low) self->pri.sum = self->pri.integral_low;

    return self->out;
}

// PID控制器
static float _PID(struct PID *self, float err)
{
    self->err = err;
    
    // kp*err+ki*err_sum + kd*(err - last_err)
    self->out = self->pri.kp * self->err + 
                self->pri.ki * self->pri.sum + 
                self->pri.kd*(self->err - self->pri.pre_err);

    // 误差积分
    self->pri.sum += self->err;

    // 积分限幅
    if (self->pri.sum > self->pri.integral_up) self->pri.sum = self->pri.integral_up;
    if (self->pri.sum < self->pri.integral_low) self->pri.sum = self->pri.integral_low;

    // 记录上次误差
    self->pri.pre_err = self->err;

    return self->out;
}

// 构造函数将接口绑定
void PID_Constructor(struct PID *self)
{
    self->SetCtrlPrm = _SetCtrPrm;
    self->SetIntegralPrm = _SetIntegralPrm;
    self->P = _P;
    self->PI = _PI;
    self->PID = _PID;
}

如何使用：

	// 声明pid类
	struct PID pid;
	// 构造pid
    PID_Constructor(&pid);
    // 设置相关变量
    pid.SetCtrlPrm(&pid, 1.3, 0.005, 0.1);
    pid.SetIntegralPrm(&pid,10000,-10000);
	// 调用
	out = pid.PID(&pid,err);

以下用qt写了个简单程序是测试程序的图形

被抛弃的写随笔公众号改写技术文章了，感兴趣的可以关注公众号：王崇卫