PID——双环PID

单环PID只能对被控对象的一个物理量进行闭环控制，而当用户需要对被控对象的多个维度物理量（例如：速度、位置、角度等）进行控制时，则需要多个PID控制环路，即多环PID，多个PID串级连接，因此也称作串级PID

多环PID相较于单环PID，功能上，可以实现对更多物理量的控制，性能上，可以使系统拥有更高的准确性、稳定性和响应速度

PID 双环控制（通常为串级双环，如 “外环（如位置环）+ 内环（如速度环 / 电流环）”）是工业控制中常用的优化结构，其核心优势在于通过分层分工提升系统性能，尤其适用于电机控制、机械传动等需兼顾动态响应与稳态精度的场景。具体优点如下：

1.快速抑制内环扰动，提升抗干扰能力

双环控制中，内环（如速度环）直接与执行器（如电机）耦合，响应速度远快于外环（如位置环）。当系统受到内环扰动（如电机负载突变、电源电压波动、摩擦阻力变化等）时，内环能在扰动影响到外环目标（如位置）之前快速调整，大幅降低扰动对最终控制效果的影响。例如：电机负载突然增加时，速度环会立即检测到速度下降，快速增大输出以维持速度稳定，避免速度波动传递到位置环导致位置偏差扩大。

2. 分解控制任务，简化参数调试

双环控制将复杂的控制目标（如 “高精度位置控制”）分解为两个独立的子任务：

• 内环（如速度环）负责快速跟踪动态指令、抑制高频扰动，专注于 “快速响应” 和 “动态平稳性”；
• 外环（如位置环）负责最终目标的稳态精度，专注于 “消除静态误差”。这种分工使得参数调试更简单：先独立调试内环（让速度响应快速且稳定），再调试外环（基于稳定的速度环优化位置精度），避免单环控制中 “动态响应” 与 “稳态精度” 参数相互干扰的问题。

3. 提升系统稳定性与动态性能

内环可等效为一个 “快速响应的执行器模型”，对外环而言，内环的存在相当于 “简化了被控对象的动态特性”（降低了外环控制对象的阶次或延迟），从而提高外环的稳定性裕度。同时，内环可通过限幅（如速度限幅、电流限幅）限制执行器的最大动态输出（如电机最大转速、最大电流），避免系统因指令突变或扰动出现超调过大、震荡甚至失控（例如防止电机 “飞车”），兼顾动态响应速度与安全性。

4. 提高稳态控制精度

外环（如位置环）直接以最终控制目标（位置）为反馈，可通过积分环节（I）彻底消除稳态误差；而内环（如速度环）则确保动态过程中速度跟踪的精度，为外环提供稳定的 “速度基础”。两者结合，既能保证动态过程快速平稳，又能确保最终目标的高精度（如机械臂的定位精度、传送带的位置控制误差）。

5. 增强系统鲁棒性

实际系统中，执行器参数（如电机电阻、电感、转动惯量）可能随工况（温度、负载）变化，导致单环控制的性能下降。双环控制中，内环对执行器参数的变化更敏感，可通过快速调整补偿参数变化的影响，降低外环对执行器参数的依赖，使系统在参数波动时仍能保持稳定性能（即鲁棒性更强）。

我们把原来电机定位置改为双环

Count++;
if(Count > 40){
	Count = 0;
	Speed = Encoder_Get();
	Location += Speed;
	Outer.Actual = Location;
	Inner.Actual = Speed;
	PID_Update(&Outer);
	Inner.Target = Outer.Out;
	PID_Update(&Inner);
	Motor_SetPWM(Inner.Out);
}

内环速度PID受外环位置PID调控，给外环输入位置，会计算出内环的目标速度，内环再转化为PWM。

#include "PID.h"

void PID_Update(PID_t *p)
{
	p->Error1 = p->Error0;					//获取上次误差
	p->Error0 = p->Target - p->Actual;		//获取本次误差，目标值减实际值，即为误差值
	if (p->K_I != 0)					//如果Ki不为0
	{
		p->ErrorInt += p->Error0;	
	}
	else							
	{
		p->ErrorInt = 0;			
	}
	p->Out = p->K_P * p->Error0
		   + p->K_I * p->ErrorInt
		   + p->K_D * (p->Error0 - p->Error1);
	if (p->Out > p->OutMax) {p->Out = p->OutMax;}	
	if (p->Out < p->OutMin) {p->Out = p->OutMin;}	
}

void PID_Init(PID_t *p, float kp, float ki, float kd, float outMax, float outMin) {
    p->Target = 0;
    p->Actual = 0;
    p->Out = 0;
    p->K_P = kp;
    p->K_I = ki;
    p->K_D = kd;
    p->Error0 = 0;
    p->Error1 = 0;
    p->ErrorInt = 0;
    p->OutMax = outMax;
    p->OutMin = outMin;
}

int16_t Speed,Location;
PID_t Inner,Outer;
static uint8_t Count;
int main(void){
	Timer_Init();
	Motor_Init();
	Encoder_Init();
	PID_Init(&Inner,0.3,0.2,0,100,-100);
	PID_Init(&Outer,0.3,0,0.2,40,-40);
}

void TIM1_UP_IRQHandler(void){
	if(TIM_GetITStatus(TIM1,TIM_IT_Update) == SET){	
		Count++;
		if(Count > 40){
			Count = 0;
			Speed = Encoder_Get();
			Location += Speed;
			Outer.Actual = Location;
			Inner.Actual = Speed;
			PID_Update(&Outer);
			Inner.Target = Outer.Out;
			PID_Update(&Inner);
			Motor_SetPWM(Inner.Out);
		}
		TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_Update);
	}
}