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[资料] 【飞控开发基础教程10】开源编队无人机-PID 基础原理

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2022-6-7 10:57:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    COCOFLY教程
    ——疯壳无人机·系列
    PID 基础原理



       1.png   
        图1


        一、PID 简介
        PID 控制是自动控制系统中最常用的一种控制手段,它的诞生主要是为了解决自动控制系统的快、稳、准的问题。
        PID 控制中的 P 指的是 Proportion(比例),即对输入的偏差乘以一个系数; I 指的是 Integral(积分),即对输入偏差进行积分运算;而 D 指的是 Derivative(微分),即对输入偏差进行微分运算。通过比例、积分、微分结合适当的反馈就可以形成一套稳定的闭环调节系统。如下图所示为 COCOFLY 的 PID 控制器的结构图。

       2.png   
        图2
        其中期望角度(高度)由遥控器提供,角度环(高度环)以及角速度环(高速度环)由 PID 代码处理,STM32 输出四路 PWM 到无人机的电机控制端口, IMU(惯性测量单元)以及飞行姿态提供反馈值。
        二、PID 控制原理
        PID 控制的过程,其实是不断纠正偏差的过程,其中的偏差=当前被控对象的反馈值-设定的期望值。
        这里举一个比较简单又经典的 PID 控制的例子,比如需要控制一个机器人以 PID 的方式向前行走 110 步,然后停下来。此时这个 110 步则是设定的期望值。
        如果按照 P 比例控制,也就是控制机器人按照一定的比例走,然后停下。比如比例系数为 108,则走一次就走了 108 步,再走一次的话就超过 110 步了,所以就不走了。从这里可得知 P 比例控制是一种最简单的控制方式,控制器的输出与输入误差信号成比例关系。但是仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比如上面的只能走到 108,或者超过 108 步,无论怎样都走不到 110。
        为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项 I”。积分项对误差的影响取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小, 积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大,从而使稳态误差进一步减小,直到等于 0。即在“积分项 I”控制中,控制器的输出与输入误差信号成正比关系,且比例+积分(PI)控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
        也就是说,如果按照 PI(比例、积分)控制的方式,则是控制机器人按照一定的步伐走到 112 步然后回头接着走,走到 108 步位置时,然后又回头向 110
        步位置走。在 110 位置处来回晃荡几次,最后停在 110 步的位置。
        微分项,主要用于预判误差变化的趋势从而作出对应的改变。在自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳,原因是存在较大惯性组件(环节)或滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”,即在误差接近于零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例 P”项往往是不够的, 比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势。这样,具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例 P+微分 D(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
        也就是说,如果按照 PD 比例、微分控制的方式,则为控制机器人按照一定的步伐走到一百零几步后,再慢慢地走向 110 步的位置靠近,如果最后能精确停
        在 110 步的位置,就是无静差控制;如果停在 110 步附近(如 109 步或 111 步位置),就是有静差控制。由此得知在微分控制 D 中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
        前面说到 PID 是为了解决自动控制系统中的快、稳、准的问题的。其中那么他们之间的关系以及对应调节参数是什么呢?如下表所示。

    表1.0.png
    表1.1.png
        表1

        三、PID 代码结构
        在飞控系统中 PID 是极为重要的一环,在 COCOFLY 飞控系统中也多处应用到了 PID 主要集中在 AltCtrl.c、Ctrl.c 中。如下图所示为高度环 PID 控制源码。

    3.0.png
    3.1.png    
        图3
        如下图所示为高度速度环 PID 控制源码。

    4.png    
        图4
        如下图所示为角度环 PID 控制源码。

    5.png    
        图5       
        如下图所示为角速率环 PID 控制源码。

    6.png    
        图6


        配套视频:http://www.fengke.club
        套件地址:http://shop115904315.taobao.com
        文件下载请点击:   【10】PID基础原理.pdf (764.78 KB, 下载次数: 1)
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