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以四轴飞行器为例，了解串级PID资料下载
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2021-04-02
吴湛
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什么是串级PID?
什么是串级PID？顾名思义就是两个串起来的PID，下面是一个双闭环的例子，外环是位置环，内环是速度环，最终的执行器是电机，电机输出产生了速度和位置；具体框图如下图所示；
当然执行器也可以是四轴飞行器，整体过程如下：
我们在外环给定相应的位置高度，外环PID的输出就是内环PID的期望值；
内环PID的输出将产生相应的油门大小，最终飞行器会产生上升的速度；
内环反馈值为速度，控制相应的速度达到外环所需的速度期望值；
最终外环达到期望的位置；
可能这里比较抽象，好吧，下面继续细化一下硬件的细节；
PID的算法控制其实是一种无系统模型的控制，可以根据参数经验经验去调试系统；
但是实际的物理对象的模型其实早就确定好了，PID的输入量和输出量的物理意义也会因为实际的被控对象而改变；
换句话说，PID的输入基本上和系统的反馈量相关，而实际的反馈量是什么，从一开始就因为系统而确定下来了；
内环和外环
如果外环是因，那内环就是果。万物皆有因果。
比如伺服控制器的三环：
位置环
速度环
电流环
外环的变化会直接导致内环的变化，而内环是直接导致执行器变化的关键，如果这里依然使用飞行器作为例子，对于整个四轴飞行系统而言；
我们通过控制电机的电流，从而决定电机的输出扭矩；
扭矩和负载一起决定电机转速；
螺旋桨快速旋转从而产生了飞行器的升力，于是也决定了上升的速度；
最终也导致了飞行器的位置变化；
这是整个的控制过程。
如果只用单环的PID去控制系统，可以在给定系统期望的情况下达到所需要的位置吗？
答案是可以。
那这样串级PID还有什么意义吗？
答案是有。
我们试想一下，如果单纯使用单环PID去控制系统。
那我们看一下单环的PID系统框图；
我们设定了一个高度，并且希望飞行器达到预期位置高度，那么这时候系统的反馈值只有位置量；
那么飞行器是以什么样的速度去飞行？以什么样的加速度去启动？我们就无法去有效地控制飞行器的速度，让它去快速地到达期望的位置，具体位置曲线如下图所示；
其实不难理解，因为一开始的高度差很大，所以PID计算输出的值就很大，因此初始速度会非常大，随着飞行器越来越接近期望位置，偏差越来越小，PID输出量逐渐减小，因此速度逐渐减小。
其实很多时候，PID只是底层，称之为内环PID，通过它可以先稳定某个系统，优化动态特性，然后在外层嵌套其他算法，当然，外面有好几层PID的控制系统是也很常见的。也就是我们介绍的串级PID的系统，具体如下所示；
控制器的本质是出入跟输出的函数映射关系。
其实从这个角度来看，通常PID适用于低阶的线性时不变系统，在此基础上限制到P，I，D三个系数。
整体还需要根据具体的系统，有所变化，有的系统其实只需要两个系数（比如PD或PI），甚至有的系统只需要一个就行（比如P）。因此上面系统中，外环只需要使用P环节就足够了，另外可以对速度曲线进行规划。
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