PID上位机

基于 PyQt5 的 PID 参数调节上位机软件，通过串口与下位机通信，支持实时图表显示、在线参数调节、模拟控制、自动调参、数据记录与导出等功能。界面采用 iOS/macOS 设计风格，遵循 Apple Human Interface Guidelines。

功能特性

串口通信

自动检测系统可用串口，支持热插拔刷新
支持波特率：9600 / 19200 / 38400 / 57600 / 115200 / 230400 / 460800 / 921600（可自定义）
数据位：5 / 6 / 7 / 8，停止位：1 / 1.5 / 2，校验位：无 / 奇 / 偶
自动重连机制，断线后按设定间隔自动尝试恢复连接
串口收发字节计数、帧计数实时统计

实时图表

基于 pyqtgraph 的高性能实时曲线绘制，支持 60fps 流畅刷新
同时显示设定值、实际值、输出值三条曲线，颜色可自定义
可调时间窗口（1~3600 秒），支持自动滚动
支持图表截图保存、数据清除
实时显示最大值、最小值、平均值、标准差等统计数据

PID 参数调节

在线调节 Kp / Ki / Kd 参数，支持微调按钮（+/-）快速调整
可调目标值和输出范围限制
积分限幅防止积分饱和
支持参数预设管理：保存、加载、删除、列出预设
参数预设存储在 ~/.pid_tuner/presets/ 目录

模拟控制

内置一阶加滞后过程模型（FOPDT），无需实际硬件即可测试
可调参数：增益、时间常数、死区时间、噪声水平、扰动
10ms 采样周期，模拟真实控制回路
线程安全的信号槽机制，后台模拟 + 主线程 UI 更新

自动调参

支持四种经典调参算法，独立线程运行，可随时中断：

方法	置信度	原理
Ziegler-Nichols	70%	临界比例法：逐步增大 Kp 直到产生等幅振荡，记录临界增益 Ku 和周期 Tu
Cohen-Coon	80%	阶跃响应法：施加阶跃输入，识别一阶加滞后模型参数后计算
继电反馈法	85%	Astrom-Hagglund 方法：bang-bang 继电控制产生极限环振荡，峰值分析提取参数
AMIGO	85%	近似 M 约束积分增益优化：基于阶跃响应，鲁棒性更好

数据记录与导出

自动记录运行数据（设定值、实际值、输出值、误差、P/I/D 各项）
最大记录 100,000 个数据点，超出自动裁剪
支持 CSV 和 JSON 格式导入导出
支持数据统计：超调量、上升时间、稳定时间、误差均方根
数据表格支持搜索过滤、右键菜单、全选（Ctrl+A）

报警管理

四级报警，带防抖机制（默认 1 秒内不重复触发）：

级别	颜色	说明
信息 INFO	蓝色 #007AFF	一般提示
警告 WARNING	橙色 #FF9500	值过高/过低、误差过大、参数异常
错误 ERROR	红色 #FF3B30	通信异常
严重 CRITICAL	粉红 #FF2D55	系统错误

可配置阈值：值上限、值下限、误差上限
支持声音报警和弹窗报警开关
报警表格支持按级别过滤、关键词搜索
最大 1000 条报警记录，支持单条确认、全部确认、全部清除

数据回放

加载 CSV/JSON 数据文件进行回放
可调回放速度：0.5x / 1x / 2x / 5x / 10x
进度条实时显示回放进度和时间

通信协议

自定义二进制串口通信协议，小端字节序。

数据帧格式

┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────────┬──────┬──────┐
│ 帧头  │ 帧头  │ 命令码 │ 数据长度 │  数据域   │ 校验和 │ 帧尾  │
│ 0x55 │ 0xAA │ 1字节 │ 2字节  │  N字节   │ 1字节 │ 0x0D │
│      │      │      │      │          │      │ 0x0A │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────────┴──────┴──────┘

帧头：固定 0x55 0xAA
命令码：1 字节，见下表
数据长度：2 字节，大端序
校验和：命令码 + 数据长度 + 数据域各字节累加，取低 8 位
帧尾：固定 0x0D 0x0A
最小帧长度：8 字节

命令码

命令码	值	功能
READ_PID_PARAMS	0x01	读取 PID 参数
WRITE_PID_PARAMS	0x02	写入 PID 参数
READ_REALTIME_DATA	0x03	读取实时数据
REALTIME_DATA_RESP	0x04	实时数据响应
START_STOP_CONTROL	0x05	启动/停止控制
SET_TARGET_VALUE	0x06	设置目标值
READ_STATUS	0x07	读取状态
STATUS_RESPONSE	0x08	状态响应
AUTO_TUNE_START	0x09	开始自动调参
AUTO_TUNE_STOP	0x0A	停止自动调参
AUTO_TUNE_RESULT	0x0B	自动调参结果

数据结构

PIDParams：3 个 float (Kp, Ki, Kd)，共 12 字节，小端序
RealtimeData：3 个 float (setpoint, actual, output)，共 12 字节，小端序
StatusData：2 个 unsigned byte (status_flags, error_code)，共 2 字节

状态标志位

标志	值	说明
RUNNING	0x01	控制运行中
AUTO_TUNING	0x02	自动调参中
ERROR	0x04	错误状态
PARAMS_LOADED	0x08	参数已加载

界面设置

设置对话框包含 4 个标签页：

通用

主题：浅色 / 深色 / 跟随系统
语言：简体中文 / English
字体大小：10~24（默认 12）
自动保存：开关 + 间隔 1~60 分钟（默认 5 分钟）

串口

默认波特率、数据位、停止位、校验位
自动重连：开关 + 重连间隔 1~30 秒（默认 3 秒）

图表

默认时间窗口：1~3600 秒（默认 10 秒）
最大数据点数：100~10000（默认 1000）
自动滚动、抗锯齿开关
曲线颜色自定义（设定值/实际值/输出值）

报警

值上限 / 值下限 / 误差上限
报警延迟：0~60 秒（默认 1 秒）
声音报警 / 弹窗报警开关

配置存储

配置文件：~/.pid_tuner/config.json
参数预设：~/.pid_tuner/presets/<预设名>.json
支持最近文件列表（最多 10 个）

项目结构

pid-upper-computer/
├── main.py                    # 程序入口，Fusion 风格 + 调色板配置
├── requirements.txt           # 依赖清单
├── build.bat                  # Windows 打包脚本
│
├── core/                      # 核心功能模块
│   ├── serial_manager.py      # 串口通信管理（连接/断开/收发/统计）
│   ├── protocol.py            # 通信协议（帧解析/打包/命令码定义）
│   ├── pid_controller.py      # PID 控制器（比例/积分/微分/限幅）
│   ├── simulator.py           # 模拟器（一阶加滞后模型 + 模拟串口管理器）
│   ├── auto_tuner.py          # 自动调参（Z-N/Cohen-Coon/Relay/AMIGO）
│   ├── data_recorder.py       # 数据记录器（记录/统计/CSV/JSON 导入导出）
│   ├── data_player.py         # 数据回放（加载/播放/暂停/停止/变速）
│   └── alarm.py               # 报警管理（阈值检测/分级/防抖/确认/清除）
│
├── ui/                        # 界面模块
│   ├── main_window.py         # 主窗口（布局/样式/信号连接/所有交互逻辑）
│   ├── chart_widget.py        # 实时图表组件（pyqtgraph 封装）
│   ├── settings_dialog.py     # 设置对话框（通用/串口/图表/报警 四标签页）
│   ├── stats_dialog.py        # 统计对话框（数据统计信息展示）
│   ├── export_dialog.py       # 导出对话框（CSV/JSON/Excel 格式选择）
│   ├── import_dialog.py       # 导入对话框（文件选择/格式识别）
│   ├── compare_dialog.py      # 对比对话框（多组数据对比分析）
│   ├── help_dialog.py         # 帮助对话框（使用说明/快捷键/关于）
│   ├── app_icon.svg           # 应用图标（蓝色 PID 曲线）
│   └── arrow_down.svg         # ComboBox 下拉箭头图标
│
└── utils/                     # 工具模块
    ├── config.py              # 配置管理（单例/JSON/预设/最近文件）
    ├── logger.py              # 日志模块（文件 + 控制台输出）
    └── helpers.py             # 辅助函数

安装

环境要求

Python >= 3.8
Windows 10/11（推荐）

安装依赖

pip install -r requirements.txt

依赖清单

包名	最低版本	用途
PyQt5	>=5.15.9	GUI 框架
pyserial	>=3.5	串口通信
pyqtgraph	>=0.13.3	实时数据绘图
numpy	>=1.24.3	数值计算
psutil	>=5.9.0	系统资源监控
openpyxl	>=3.1.0	Excel 数据导出
PyInstaller	>=5.13.0	打包为可执行文件（可选）

运行

python main.py

打包为 exe

pyinstaller --noconfirm --onefile --windowed ^
    --icon=ui/app_icon.ico ^
    --name=PID上位机 ^
    --add-data="ui/app_icon.ico;ui" ^
    --add-data="ui/arrow_down.svg;ui" ^
    main.py

打包后的可执行文件在 dist/PID上位机.exe。

注意：打包后的 exe 会嵌入应用图标，任务管理器和 Alt+Tab 切换器中均可正确显示。

快捷键

快捷键	功能
`Ctrl+E`	导出数据
`Ctrl+I`	导入数据
`Ctrl+T`	自动调参
`Ctrl+S`	保存参数
`Ctrl+,`	打开设置
`Ctrl+A`	数据表格全选
`F1`	帮助

使用流程

1. 连接设备

勾选「模拟控制」可使用内置模拟器，无需硬件
选择串口 → 设置波特率等参数 → 点击「连接」

2. 启动控制

设置目标值 → 点击「启动控制」
实时图表开始绘制设定值、实际值、输出值曲线
左侧面板可在线调节 Kp / Ki / Kd 参数

3. 自动调参

点击「自动调参」→ 选择调参方法
等待调参完成，结果自动填入 PID 参数

4. 数据管理

运行过程中数据自动记录
可导出为 CSV / JSON / Excel 格式
支持导入历史数据进行回放分析

许可证

MIT License

Name		Name	Last commit message	Last commit date
core		core
ui		ui
utils		utils
.gitignore		.gitignore
README.md		README.md
build.bat		build.bat
main.py		main.py
requirements.txt		requirements.txt
screenshot.png		screenshot.png

Latest commit

History

Folders and files

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