# PIDHelper **Repository Path**: tom-embedded/pidhelper ## Basic Information - **Project Name**: PIDHelper - **Description**: 在上位机使用PSO算法帮助下位机迭代调PID参数 - **Primary Language**: Python - **License**: Apache-2.0 - **Default Branch**: master - **Homepage**: None - **GVP Project**: No ## Statistics - **Stars**: 0 - **Forks**: 2 - **Created**: 2026-09-20 - **Last Updated**: 2026-09-20 ## Categories & Tags **Categories**: Uncategorized **Tags**: None ## README # PIDHelper ## 项目简介 一个基于粒子群优化算法（PSO）的上位机工具，用于自动化优化下位机的PID参数。 通过迭代评估系统性能指标，自动寻找最优PID参数组合，提高调参效率。 运行 `demo.py` 可查看仿真示例。 ## 环境要求 - Python 3.10.x - 依赖库： ```bash pip install pyserial numpy parse matplotlib scipy ``` - 或者直接使用项目自带的venv虚拟环境 ## 快速开始 1. **安装环境** 安装Python 3.10及上述依赖库。 2. **配置通信接口** 默认使用串口通信。若需其他通信方式（如TCP/IP），请继承 `CommunicationInterface` 类实现自定义接口。 3. **运行优化程序** ```bash python One_click_Start.py ``` 程序启动后，根据提示选择运行模式，确保通信正常，程序将自动迭代直至完成。 > 没有安装Python请在release页面下载可执行文件直接运行 ## 运行模式说明 程序支持以下三种运行模式： ### 模式1：手动输入模式（调试模式） - **使用场景**：适合开发调试阶段，无需硬件设备 - **工作流程**： - 每次迭代时由用户手动在控制台输入性能指标（ITAE、超调量、调节时间、稳态误差） - 上位机基于输入数据通过PSO算法计算优化方向 - 适合算法验证和小规模参数优化测试 ### 模式2：全自动模式（下位机计算性能指标） - **使用场景**：实际硬件自动化优化，下位机具备性能指标计算能力 - **工作流程**： 1. 上位机通过串口发送PID参数至下位机 2. 下位机执行PID控制，实时计算ITAE、超调量、调节时间、稳态误差等指标 3. 下位机返回计算结果至上位机 4. 上位机通过PSO算法迭代优化参数 ### 模式3：全自动模式（上位机计算性能指标） - **使用场景**：实际硬件自动化优化，上位机分析原始数据 - **工作流程**： 1. 上位机通过串口发送PID参数至下位机 2. 下位机执行PID控制，返回目标值（TARGET）和实际输出值（OUTPUT）等原始数据 3. 上位机接收数据并根据配置的控制周期 $\Delta t$ 计算性能指标 4. 上位机通过PSO算法迭代优化参数 ## 通信配置 ### 1. 数据格式配置 程序支持自定义数据解析格式，使用Parse库语法： **模式2数据格式示例**： ``` 下位机返回: ITAE:0.1234,OVERSHOOT:2.34,SETTLING:1.0,SSE:0.0456 解析格式: "ITAE:{itae:f},OVERSHOOT:{overshoot:f},SETTLING:{settling:f},SSE:{sse:f}" ``` > 解析格式中的 `itae` 、`overshoot` 、 `setting` 、 `sse` （小写部分）不可修改 **模式3数据格式示例**： ``` 下位机返回: TARGET:100.0,OUTPUT:98.5 解析格式: "TARGET:{target:f},OUTPUT:{output:f}" ``` > 解析格式中的 `target` 、`output` （小写部分）不可修改 ### 2. 下位机需实现的功能 **模式2（下位机计算指标）**： 下位机需计算以下性能指标并返回： - **ITAE**（时间乘以绝对误差积分） - **超调量（%）** - **调节时间** - **稳态误差** **模式3（上位机计算指标）**： 下位机需返回： - **TARGET**（目标值） - **OUTPUT**（PID输出值） ### 3. 通信协议 - 上位机发送PID参数至下位机：`KP:value,KI:value,KD:value\n` - 下位机执行控制过程，计算性能指标或返回原始数据 - 通信格式需与上位机解析器匹配 > 具体过程参考 `PID_Helper.py` → `FastPSO_PID_Optimizer` → `optimize()` 和 `evaluate_particle()` ### 4. 自定义通信接口 如需非串口通信（如TCP/IP、UDP等），请按以下示例实现： ```python from PID_Helper.CommunicationInterface import CommunicationInterface class CustomCommunication(CommunicationInterface): def open(self, port: str, baud_rate: int) -> bool: # 实现自定义打开逻辑 pass def read_line(self, decode: str = "ascii") -> str | None: # 实现自定义读取逻辑 pass def write(self, data: str, encode: str = "ascii") -> bool: # 实现自定义写入逻辑 pass def close(self) -> bool: # 实现自定义关闭逻辑 pass ``` ## PID性能指标算法 ### 1. ITAE（时间乘以绝对误差积分） 连续形式： $$ \text{ITAE} = \int_{t_{start}}^{t_{stop}} t \cdot |e(t)| \, dt $$ 离散形式： $$ \text{ITAE} = \sum_{i=0}^{n} |e_i| \cdot t_i \cdot \Delta t $$ **C语言实现示例**： ```c // 全局变量 float itae = 0; float pid_time = 0; // PID运行代码 void pid_run(float dt) { // ... PID计算 ... pid_time += dt; itae += fabsf(pid.error) * pid_time * dt; } // PID停止代码 void pid_stop() { // 串口输出ITAE printf("ITAE:%.4f\n", itae); // 重置变量 itae = 0; pid_time = 0; } ``` ### 2. 超调量（%） $$ \text{超调量} = \begin{cases} \frac{\max(\text{Measure}) - \text{Target}}{\text{Target}} \times 100\%, & \text{if } \max(\text{Measure}) > \text{Target} \\ 0\%, & \text{otherwise} \end{cases} $$ **C语言实现示例**： ```c // 全局变量 float overshoot = 0; float max_measure = 0; // PID运行代码 void pid_run(float dt) { // ... PID计算 ... // 更新最大测量值 if (pid.measure > max_measure) { max_measure = pid.measure; } } // PID停止代码 void pid_stop() { // 计算超调量（百分比） if (max_measure > pid.target) { overshoot = (max_measure - pid.target) / pid.target * 100.0f; } else { overshoot = 0; } // 串口输出超调量 printf("OVERSHOOT:%.4f\n", overshoot); // 重置变量 overshoot = 0; max_measure = 0; } ``` ### 3. 调节时间 系统响应进入并保持在目标值±2%误差带内所需的时间。 **C语言实现示例**： ```c // 全局变量 float settling_time = 0; float pid_time = 0; // PID运行代码 void pid_run(float dt) { // ... PID计算 ... pid_time += dt; // 如果超出误差带，更新调节时间 if (!(pid.measure > pid.target * 0.98f && pid.measure < pid.target * 1.02f)) { settling_time = pid_time; } } // PID停止代码 void pid_stop() { // 串口输出调节时间 printf("SETTLING:%.4f\n", settling_time); // 重置变量 settling_time = 0; pid_time = 0; } ``` > 可根据实际需求调整误差带范围（默认2%，可在代码中修改） ### 4. 稳态误差 取响应过程最后10%时间段内的平均误差。 **C语言实现示例**： ```c // 全局变量 float sse = 0; float evaluate_time = 5.0f; // 评估时间（秒） float start_cal_sse_time = evaluate_time * 0.9f; // 开始计算SSE的时间 float sse_timer = 0; int16_t cal_sse_tick = 0; // 计算SSE期间经历PID计算的次数 // PID运行代码 void pid_run(float dt) { // ... PID计算 ... sse_timer += dt; if (sse_timer > start_cal_sse_time) { sse += fabsf(pid.error); cal_sse_tick++; } } // PID停止代码 void pid_stop() { // 计算平均稳态误差 if (cal_sse_tick > 0) { sse = sse / cal_sse_tick; } // 串口输出稳态误差 printf("SSE:%.4f\n", sse); // 重置变量 sse = 0; sse_timer = 0; cal_sse_tick = 0; } ``` > 也可采用其他稳态误差计算方法 ## PSO算法参数说明 | 参数 | 说明 | 默认值 | 建议范围 | |------|------|--------|----------| | `pop_size` | 粒子群大小 | 10 | 10-15 | | `max_iter` | 最大迭代次数 | 20 | 20-30 | | `inertia_weight` | 惯性权重 | 0.7298 | 0.4-0.9 | | `c1` | 个体学习因子 | 1.49618 | 1.0-2.0 | | `c2` | 社会学习因子 | 1.49618 | 1.0-2.0 | | `evaluation_delay` | 评估延迟（秒） | 0.5 | 0.1-1.0 | | `max_evaluation_time` | 最大评估时间（秒） | 5.0 | 3.0-10.0 | ## 日志和结果保存 - **日志文件**：自动保存至 `logs/` 目录，格式为 `{module_name}-{timestamp}.log` - **优化结果**：支持保存为JSON格式，包含最优参数、适应度历史和配置信息 **结果文件示例**： ```json { "best_parameters": { "Kp": 1.2345, "Ki": 0.5678, "Kd": 0.0123 }, "best_fitness": 0.123456, "fitness_history": [1.23, 0.98, 0.76, ...], "config": { ... } } ``` ## 注意事项 - 确保通信稳定，避免数据丢失或格式错误 - 下位机计算性能指标时需与上位机定义的时间基准一致（特别是模式3） - 可调整PSO算法参数以平衡收敛速度与精度 - 第一次运行建议使用模式1验证数据格式和算法流程 - 手动输入模式下，输入浮点数时需要加上 `.0` 后缀（如 `1.0` 而不是 `1`） - 若串口无法打开，请检查： - 设备是否正确连接 - 串口号是否正确（Windows: COM1, Linux: /dev/ttyUSB0） - 波特率是否匹配 - 是否安装了必要的驱动程序 - 是否有其他程序占用该串口 ## 项目结构 ``` PIDHelper/ ├── One_click_Start.py # 主启动程序 ├── demo.py # 仿真示例 ├── PID_Helper/ │ ├── __init__.py │ ├── PID_Helper.py # PSO优化器核心 │ ├── CommunicationInterface.py # 通信接口 │ └── Log.py # 日志模块 ├── logs/ # 日志文件目录 └── README.md # 本文档 ``` ## 许可证 开源项目，遵循 [Apache-2.0](https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0) 许可证。