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以四轴飞行器为例,了解串级PID资料下载

消耗积分:0 | 格式:pdf | 大小:250.97KB | 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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