【《四旋翼无人机PID控制算法分析案例》1500字】

II四旋翼无人机PID控制算法分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u27627四旋翼无人机PID控制算法分析案例 1148041.1PID控制的基本理论 1232451.2四旋翼无人机上实现PID控制 3148411.2.1单级PID 3285731.2.2串级PID 4186621.3四旋翼无人机PID控制器的设计 4131491.4PID算法仿真 51.1PID控制的基本理论图3-1为PID控制器的原理图[25]。图3-1PID算法原理图其基本公式为：ut式子（3-1）中Kp表示控制器的比例系数，Ti表示积分系数，其对应的传递函数为：GsPID控制理论可以理解为：使得系统的输出在一个合理范围内。如果输出偏差过大，PIDS算法开始作用，来减小输出值与期望值间的误差，来实现平稳飞行[25]。（1）比例控制所谓的比例控制就是指给输入的信号乘以一个固定值，使其大小发生改变[30]。Pout在不同的比例增益Kp图3-2图3-3图3-4（2）积分控制对于只有比例控制的系统来说存在稳态误差，通过控制器中加入积分项可以消除系统中的稳态误差。积分控制器使系统进入稳定状态后无稳态误差[30]。Iout在不同的积分增益Ki图3-5图3-6图3-7（3）微分控制控制系统不需要调节微分时间，只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。D在不同的微分增益Kd图3-8图3-9图3-101.2四旋翼无人机上实现PID控制PID控制可分为单级PID控制和串级PID控制，单级表示只采用一次PID控制，而串级指采用多级PID控制，其优势在于得到的输出数据更接近期望值[26]。1.2.1单级PID图3-11位单级PID的控制框图：图3-11单级PID框图框图中期望角度来自飞控输入，反馈当前角度就是传感器测得的飞行角度，这里的角度就是指Roll/Pitch/Yaw三个角度，PID在控制计算的时候都是独立的[29]。1.2.2串级PID串级PID指得是不仅仅采用一种PID进行操作，首先期望角度先经过角度环PID控制，但角度环PID仅仅是考虑了飞行器的角度问题，如果想要增强飞行器飞行的稳定性就需要接着控制飞行器的角速度。采用串级PID算法可以大大增加飞行器的稳定问题。图3-12位串级PID的控制图。图3-12串级PID的控制图1.3四旋翼无人机PID控制器的设计四旋翼无人机在飞行过程中，飞行的姿态是在不断改变着的，即使保持四旋翼无人机本身的参数（转速）不改变，四旋翼无人机仍然是不能保持平稳飞行的。为了满足稳定性的要求，需要通过一个反馈回路来控制电机不断地变化，尽量使四旋翼无人机的姿态保持在一个可变的范围内[27]。四旋翼无人机的姿态是用横滚角、俯仰角、偏航角来描述的，且三种姿态角之间是不存在耦合问题。在设计飞行控制算法时，可以对三个姿态角单独进行处理。图3-13位俯仰角为例建立的理论框图。图3-13四旋翼无人机俯仰角PID控制基本结构期望值与测量值之间的差值（俯仰角角度角之间的差值）是误差信号。经过一个PID控制后得到需要的输出量u(t)，此时控制算法会作用于四个桨叶上的电机，通过改变电机的大小来实现四旋翼无人机的稳定飞行功能。若四旋翼无人机仅采用的对应算法是单级PID算法是不能够达到良好的控制效果，因此图3-14则是采用串级PID算法得到的飞行控制框图。图3-14PID俯仰角控制横滚角和偏航角与俯仰角的结构类似，在进行四旋翼无人机整体的飞行控制时，首先要计算出各个姿态角的控制量输出，然后在分别作用到每一个电机上即可完成整体姿态控制[8]。图3-15各姿态角控制量与电机最终控制量之间的耦合关系[9]。图3-15控制结算关系图1.4PID算法仿真图3-16是为了验证PID算法对于系统稳定性控制的影响，在Simulink下进行PID算法的仿真实验：图3-16在Simulink下的PID仿真图3-16中被控对象设置为1/60s+1，仿真实验中为了验证微分系统的有效性，另外在系统中加入了延迟（通过实验观察，延迟设置在2000S比较合理）。仿真实验中先是设置比列控制，设置参数为1；接着设置了积分控制，通过多次比较发现1/1