1.为什么pid外环输出是内环速度的输入怎样理解 2.单环pid与双环pid分别适用哪种情况 3.双环pid代码C++写法_双环pid与单环的优势

1.

在PID控制系统中，当使用双环（或称为级联、串联）PID结构时，通常将位置环（外环）的输出作为速度环（内环）的输入，这是为了实现更精确和稳定的控制。这种结构特别适用于需要同时控制位置和速度的应用，例如工业机器人、自动化设备、飞行控制系统等。

为什么PID外环输出是内环速度的输入？

1. 精确控制：位置环负责确保系统最终达到设定的目标位置，而速度环则负责确保系统以期望的速度和加速度到达该位置。通过将位置环的输出作为速度环的输入，我们可以更精确地控制整个系统的动态行为。

2. 稳定性和响应速度：速度环可以更快地响应系统内部的动态变化，如外部干扰或系统参数的改变。通过调整速度环的参数，我们可以提高系统的稳定性和响应速度，从而确保系统能够在各种情况下都保持较好的性能。

3. 解耦：在某些情况下，系统的位置和速度可能相互耦合，即一个变量的变化会影响另一个变量。通过使用双环PID结构，我们可以将这两个变量解耦，从而分别控制它们。这可以简化控制器的设计，并提高系统的性能。

怎样理解？

我们可以将双环PID控制系统看作是一个层次结构，其中位置环是顶层，速度环是底层。顶层负责设定目标位置，并通过底层（速度环）来实现该目标。

• 位置环（外环）：它根据目标位置和实际位置的误差来计算出一个期望的速度（或称为速度指令）。这个速度指令代表了系统为了达到目标位置而应该具有的速度。
• 速度环（内环）：它接收来自位置环的速度指令，并根据实际速度和速度指令的误差来计算出一个控制输出（如电机的电压或电流）。这个控制输出直接作用于系统的执行机构（如电机），以调整系统的速度。

通过这种方式，双环PID控制系统能够同时控制系统的位置和速度，从而实现更精确和稳定的控制。在实际应用中，我们还需要根据系统的具体特性和要求来调整两个环的参数（如比例系数、积分系数和微分系数），以达到最佳的控制效果。

2.

单环PID（Position-only PID）和双环PID（Position-Velocity PID 或称为Cascade PID）在控制系统设计中各有其适用场景。以下是它们各自适用的常见情况：

单环PID（Position-only PID）

适用情况：

• 当系统只需要控制最终位置，而对中间过程（如速度、加速度）没有严格要求时。
• 在系统模型相对简单，且没有强烈非线性或外部干扰的情况下。
• 在成本、复杂性和性能之间需要权衡，且可以接受一定精度损失时。

示例：

• 简单的位置控制系统，如一些简单的伺服系统或机器人手臂。
• 温控系统，只要最终温度达到设定值即可，不关心加热或冷却的速率。

双环PID（Position-Velocity PID 或 Cascade PID）

适用情况：

• 当系统需要精确控制最终位置，并对中间过程（如速度、加速度）有严格要求时。
• 在系统模型复杂、存在非线性或外部干扰较大的情况下，双环PID可以提供更好的鲁棒性和性能。
• 在对系统响应速度、稳定性和精度都有较高要求的应用中。

优势：

• 外环（位置环）负责控制最终位置，确保系统达到设定目标。
• 内环（速度环）负责控制速度，使系统能够更快、更平稳地到达目标位置。
• 通过合理调整内外环的参数，可以实现更精确的控制，并提高系统的稳定性和响应速度。

示例：

• 工业机器人和自动化设备，需要精确控制位置和速度。
• 精密加工和测量设备，对位置和速度都有严格要求。
• 飞行控制系统，如无人机或导弹，需要精确控制飞行轨迹和速度。

总之，单环PID和双环PID各有其优点和适用场景。在选择使用哪种方法时，需要根据具体的应用需求、系统特性和控制要求来进行权衡和选择。

3.

#include <iostream>  
#include <chrono>  
#include <thread>  
  
class PIDController {  
public:  
    PIDController(double kp, double ki, double kd)  
        : kp_(kp), ki_(ki), kd_(kd), prev_error_(0), integral_(0) {}  
  
    double update(double setpoint, double measured_value) {  
        double error = setpoint - measured_value;  
        double p = kp_ * error;  
        double i = ki_ * integral_;  
        double derivative = (error - prev_error_) / dt_; // dt_ 需要在外部设置  
        double d = kd_ * derivative;  
  
        // PID输出  
        double output = p + i + d;  
  
        // 更新误差积分和之前的误差  
        integral_ += error * dt_;  
        prev_error_ = error;  
  
        return output;  
    }  
  
    void setDt(double dt) { dt_ = dt; }  
  
private:  
    double kp_;  
    double ki_;  
    double kd_;  
    double prev_error_;  
    double integral_;  
    double dt_; // 时间间隔，需要在外部设置  
};  
  
// 双环PID控制函数  
double doubleLoopPIDControl(PIDController& positionPID, PIDController& velocityPID,  
                            double targetPosition, double currentPosition, double currentVelocity, double dt) {  
    // 位置环PID  
    double desiredVelocity = positionPID.update(targetPosition, currentPosition);  
  
    // 速度环PID  
    double controlOutput = velocityPID.update(desiredVelocity, currentVelocity);  
  
    // 应用控制输出到系统（这里只是一个示例，实际情况可能更复杂）  
    // ...  
  
    return controlOutput;  
}  
  
int main() {  
    // 初始化PID参数  
    double kp_position = 1.0, ki_position = 0.1, kd_position = 0.01;  
    double kp_velocity = 0.5, ki_velocity = 0.05, kd_velocity = 0.005;  
  
    // 创建PID控制器对象  
    PIDController positionPID(kp_position, ki_position, kd_position);  
    PIDController velocityPID(kp_velocity, ki_velocity, kd_velocity);  
  
    // 设置时间间隔（例如，每秒更新一次）  
    double dt = 1.0 / 1000.0; // 假设以毫秒为单位，所以这里是0.001秒  
    positionPID.setDt(dt);  
    velocityPID.setDt(dt);  
  
    // 假设的目标位置、当前位置和速度（这些值应该来自你的系统）  
    double targetPosition = 100.0;  
    double currentPosition = 0.0;  
    double currentVelocity = 0.0;  
  
    // 模拟控制循环  
    while (true) {  
        // 双环PID控制  
        double controlOutput = doubleLoopPIDControl(positionPID, velocityPID, targetPosition, currentPosition, currentVelocity, dt);  
  
        // 更新位置和速度（这些值应该来自你的系统或者基于controlOutput计算）  
        // 这里只是模拟更新  
        currentPosition += currentVelocity * dt;  
        // 假设速度由controlOutput直接控制（实际情况可能更复杂）  
        currentVelocity = controlOutput; // 注意：这里只是一个简化的示例  
  
        // 输出控制结果（可选）  
        std::cout << "Control Output: " << controlOutput << std::endl;  
  
        // 等待一段时间  
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(dt * 1000)));  
  
        // 退出条件（根据实际需求添加）  
        // if (/* some condition */) break;  
    }  
  
    return 0;  
}