請AI使用C語言開發一個PID控制器 範例程式碼

AI01答案

#include <stdio.h>

// PID控制器的結構
typedef struct {
    double kp;  // 比例增益
    double ki;  // 積分增益
    double kd;  // 微分增益
    double setpoint;  // 目標值
    double error_sum;  // 累計誤差
    double last_error;  // 上一次的誤差
} PIDController;

// 初始化PID控制器
void initializePID(PIDController *pid, double kp, double ki, double kd, double setpoint) {
    pid->kp = kp;
    pid->ki = ki;
    pid->kd = kd;
    pid->setpoint = setpoint;
    pid->error_sum = 0.0;
    pid->last_error = 0.0;
}

// 更新PID控制器的輸出
double updatePID(PIDController *pid, double current_value) {
    double error = pid->setpoint - current_value;
    pid->error_sum += error;

    // PID計算
    double p_term = pid->kp * error;
    double i_term = pid->ki * pid->error_sum;
    double d_term = pid->kd * (error - pid->last_error);

    double output = p_term + i_term + d_term;

    // 更新上一次的誤差
    pid->last_error = error;

    return output;
}

int main() {
    // 使用範例：創建並初始化PID控制器
    PIDController pid;
    initializePID(&pid, 0.1, 0.01, 0.05, 10.0);  // 這裡的參數需要根據實際情況調整

    // 模擬控制過程
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        // 假設當前值為i，進行PID控制器更新
        double current_value = i;
        double output = updatePID(&pid, current_value);

        // 在這裡可以使用output來控制系統，例如設定馬達速度、控制閥等
        printf("Iteration %d - Current Value: %.2f, Output: %.2f\n", i+1, current_value, output);
    }

    return 0;
}

AI02答案

#include <stdio.h>

// 定義PID控制器的結構
struct PID_Controller
{
    float Kp; // 比例參數
    float Ki; // 積分參數
    float Kd; // 微分參數
    float error; // 偏差訊號
    float output; // 輸出訊號
};

// 初始化PID控制器
void PID_Controller_Init(struct PID_Controller *controller, float Kp, float Ki, float Kd)
{
    controller->Kp = Kp;
    controller->Ki = Ki;
    controller->Kd = Kd;
    controller->error = 0;
    controller->output = 0;
}

// 計算PID控制器的輸出訊號
float PID_Controller_CalcOutput(struct PID_Controller *controller, float setpoint, float feedback)
{
    // 計算偏差訊號
    controller->error = setpoint - feedback;

    // 計算比例控制輸出
    float proportional_output = controller->Kp * controller->error;

    // 計算積分控制輸出
    float integral_output = controller->Ki * controller->error * controller->error;

    // 計算微分控制輸出
    float differential_output = controller->Kd * (controller->error - controller->error_last);

    // 更新偏差訊號
    controller->error_last = controller->error;

    // 計算總輸出訊號
    controller->output = proportional_output + integral_output + differential_output;

    return controller->output;
}

int main(void)
{
    // 定義PID控制器
    struct PID_Controller controller;

    // 初始化PID控制器
    PID_Controller_Init(&controller, 1.0, 0.1, 0.01);

    // 設定目標值和反饋值
    float setpoint = 100;
    float feedback = 0;

    // 循環計算PID控制器的輸出訊號
    while (1)
    {
        feedback = 100;
        output = PID_Controller_CalcOutput(&controller, setpoint, feedback);
        printf("output = %f\n", output);
    }

    return 0;
}

AI03答案

以下是一些我生成的 PID 控制器的範例程式碼，您可以在您的編譯器中測試它們：

用位置式 PID 控制器來控制一個直流電機的轉速，假設電機的轉速可以通過一個函數 speed() 來獲取，並且可以通過一個函數 output() 來設置電機的輸出電壓。這裡我使用了一個結構體來定義 PID 的變量和參數，並重寫了一個控制器的函數，參數為一個 PID 結構體的指標和一個期望的轉速值，回傳一個輸出電壓值，並輸出結果：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

// 定義 PID 結構體
struct PID {
    double kp; // 比例增益
    double ki; // 積分增益
    double kd; // 微分增益
    double error; // 當前偏差
    double error_last; // 上一次偏差
    double error_sum; // 累積偏差
    double output; // 輸出值
};

// 定義電機轉速的函數，參數為輸出電壓，回傳轉速值
// 這裡假設轉速和電壓成正比，並加入一些隨機誤差
double speed(double voltage) {
    double noise = (rand() % 21 - 10) / 100.0; // 產生一個 [-0.1, 0.1] 的隨機數
    return voltage * 10 + noise; // 轉速和電壓成正比，並加入隨機誤差
}

// 定義電機輸出的函數，參數為輸出電壓，無回傳值
// 這裡假設輸出電壓的範圍是 [0, 10]，如果超出範圍，則取邊界值
void output(double voltage) {
    if (voltage < 0) voltage = 0; // 如果電壓小於零，則取零
    if (voltage > 10) voltage = 10; // 如果電壓大於十，則取十
    printf("The output voltage is %.2f\n", voltage); // 輸出電壓值
}

// 定義位置式 PID 控制器的函數，參數為一個 PID 結構體的指標和一個期望的轉速值，回傳一個輸出電壓值
double position_pid(struct PID *pid, double target) {
    double current = speed(pid->output); // 獲取當前的轉速值
    printf("The current speed is %.2f\n", current); // 輸出當前的轉速值
    pid->error = target - current; // 計算當前的偏差
    pid->error_sum += pid->error; // 計算累積的偏差
    pid->output = pid->kp * pid->error + pid->ki * pid->error_sum + pid->kd * (pid->error - pid->error_last); // 計算輸出值
    pid->error_last = pid->error; // 更新上一次的偏差
    return pid->output; // 回傳輸出值
}

int main() {
    struct PID pid; // 建立一個 PID 結構體
    pid.kp = 0.5; // 設置比例增益
    pid.ki = 0.1; // 設置積分增益
    pid.kd = 0.05; // 設置微分增益
    pid.error = 0; // 初始化當前偏差
    pid.error_last = 0; // 初始化上一次偏差
    pid.error_sum = 0; // 初始化累積偏差
    pid.output = 0; // 初始化輸出值
    double target = 50; // 設置期望的轉速值
    printf("The target speed is %.2f\n", target); // 輸出期望的轉速值
    for (int i = 0; i < 10; i++) { // 進行十次控制迴圈
        printf("Iteration %d:\n", i + 1); // 輸出迴圈次數
        double voltage = position_pid(&pid, target); // 調用位置式 PID 控制器函數，獲取輸出電壓值
        output(voltage); // 調用電機輸出函數，設置輸出電壓值
        printf("\n"); // 換行
    }
    return 0;
}

用增量式 PID 控制器來控制一個溫度系統的溫度，假設溫度系統的溫度可以通過一個函數 temperature() 來獲取，並且可以通過一個函數 output() 來設置溫度系統的輸出功率。這裡我使用了一個結構體來定義 PID 的變量和參數，並重寫了一個控制器的函數，參數為一個 PID 結構體的指標和一個期望的溫度值，回傳一個輸出功率的增量值，並輸出結果：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

// 定義 PID 結構體
struct PID {
    double kp; // 比例增益
    double ki; // 積分增益
    double kd; // 微分增益
    double error; // 當前偏差
    double error_last; // 上一次偏差
    double error_pre; // 上上次偏差
    double output; // 輸出值
};

// 定義溫度系統的溫度的函數，參數為輸出功率，回傳溫度值
// 這裡假設溫度和功率成正比，並加入一些隨機誤差
double temperature(double power) {
    double noise = (rand() % 21 - 10) / 100.0; // 產生一個 [-0.1, 0.1] 的隨機數
    return power * 10 + noise; // 溫度和功率成正比，並加入隨機誤差
}

// 定義溫度系統的輸出的函數，參數為輸出功率，無回傳值
// 這裡假設輸出功率的範圍是 [0, 10]，如果超出範圍，則取邊界值
void output(double power) {
    if (power < 0) power = 0; // 如果功率小於零，則取零
    if (power > 10) power = 10; // 如果功率大於十，則取十
    printf("The output power is %.2f\n", power); // 輸出功率值
}

// 定義增量式 PID 控制器的函數，參數為一個 PID 結構體的指標和一個期望的溫度值，回傳一個輸出功率的增量值
double increment_pid(struct PID *pid, double target) {
    double current = temperature(pid->output); // 獲取當前的溫度值
    printf("The current temperature is %.2f\n", current); // 輸出當前的溫度值
    pid->error = target - current; // 計算當前的偏差
    double delta = pid->kp * (pid->error - pid->error_last) + pid->ki * pid->error + pid->kd * (pid->error - 2 * pid->error_last + pid->error_pre); // 計算輸出值的增量
    pid->error_pre = pid->error_last; // 更新上上次的偏差
    pid->error_last = pid->error; // 更新上一次的偏差
    return delta; // 回傳輸出值的增量
}

int main() {
    struct PID pid; // 建立一個 PID 結構體
    pid.kp = 0.5; // 設置比例增益
    pid.ki = 0.1; // 設置積分增益
    pid.kd = 0.05; // 設置微分增益
    pid.error = 0; // 初始化當前偏差
    pid.error_last = 0; // 初始化上一次偏差
    pid.error_pre = 0; // 初始化上上次偏差
    pid.output = 0; // 初始化輸出值
    double target = 50; // 設置期望的溫度值
    printf("The target temperature is %.2f\n", target); // 輸出期望的溫度值
    for (int i = 0; i < 10; i++) { // 進行十次控制迴圈
        printf("Iteration %d:\n", i + 1); // 輸出迴圈次數
        double delta = increment_pid(&pid, target); // 調用增量式 PID 控制器函數，獲取輸出功率的增量值
        pid.output += delta; // 更新輸出值
        output(pid.output); // 調用溫度系統輸出函數，設置輸出功率值
        printf("\n"); // 換行
    }
    return 0;
}

AI04答案

定義了一個結構體PID，用於存儲PID控制器的參數和狀態。
定義了一個函數PID_Init，用於初始化PID控制器的參數和狀態。
定義了一個函數PID_Calc，用於計算PID控制器的控制輸入，並更新其狀態。
定義了一個函數Motor_Speed，用於模擬直流電機的轉速，並返回其實際值。
定義了一個函數main，用於設定PID控制器的參數，並進行控制循環，每隔一定的時間間隔，讀取電機的轉速，計算PID控制器的控制輸入，並輸出到電機。

//以下是一個使用C語言實現位置式PID控制器的範例程式碼，它可以用於控制一個直流電機的轉速。該程式碼的功能和結構如下：

#include <stdio.h>
#include <math.h>

// 定義PID控制器的結構體
typedef struct
{
    double Kp; // 比例增益
    double Ki; // 積分增益
    double Kd; // 微分增益
    double setpoint; // 期望值
    double feedback; // 實際值
    double error; // 誤差
    double pre_error; // 上一次的誤差
    double integral; // 積分項
    double derivative; // 微分項
    double output; // 控制輸出
} PID;

// 初始化PID控制器的參數和狀態
void PID_Init(PID *pid, double Kp, double Ki, double Kd, double setpoint)
{
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->setpoint = setpoint;
    pid->feedback = 0.0;
    pid->error = 0.0;
    pid->pre_error = 0.0;
    pid->integral = 0.0;
    pid->derivative = 0.0;
    pid->output = 0.0;
}

// 計算PID控制器的控制輸入，並更新其狀態
void PID_Calc(PID *pid)
{
    // 計算誤差
    pid->error = pid->setpoint - pid->feedback;
    // 計算積分項
    pid->integral += pid->error;
    // 計算微分項
    pid->derivative = pid->error - pid->pre_error;
    // 計算控制輸出
    pid->output = pid->Kp * pid->error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * pid->derivative;
    // 更新上一次的誤差
    pid->pre_error = pid->error;
}

// 模擬直流電機的轉速，並返回其實際值
double Motor_Speed(double input)
{
    // 假設電機的轉速與輸入電壓成正比，並且有一定的延遲和雜訊
    static double speed = 0.0; // 電機的初始轉速為0
    double delay = 0.5; // 電機的延遲係數為0.5
    double noise = (rand() % 100 - 50) / 1000.0; // 電機的雜訊範圍為[-0.05, 0.05]
    speed = speed * delay + input * (1 - delay) + noise; // 電機的轉速更新公式
    return speed; // 返回電機的實際轉速
}

// 主函數
int main()
{
    PID pid; // 創建一個PID控制器的實例
    double Kp = 0.5; // 設定比例增益為0.5
    double Ki = 0.1; // 設定積分增益為0.1
    double Kd = 0.01; // 設定微分增益為0.01
    double setpoint = 100.0; // 設定期望轉速為100
    PID_Init(&pid, Kp, Ki, Kd, setpoint); // 初始化PID控制器
    int i; // 循環變量
    int N = 100; // 循環次數
    double dt = 0.1; // 時間間隔
    for (i = 0; i < N; i++) // 進行控制循環
    {
        pid.feedback = Motor_Speed(pid.output); // 讀取電機的實際轉速
        PID_Calc(&pid); // 計算PID控制器的控制輸入
        printf("Time: %.1f, Setpoint: %.1f, Feedback: %.1f, Output: %.1f\n", i * dt, pid.setpoint, pid.feedback, pid.output); // 輸出控制信息
    }
    return 0; // 程式結束
}