无人机PID控制简介

PID是自动控制理论里的一种控制方法，PID的意思分别代表了比例、积分和微分。具体是什么意思呢？解释如下：首先，我们有一个状态量，这个状态量在整个过程中，我们希望通过输入一个控制量，使这个状态量发生变化，并尽量的接近目标量。比如，在航线控制中，状态量是飞机当前的飞行航向，目标量是飞机为到达目标点而应该飞行的目标航向，控制量则是我们对其进行控制的方向舵面，或横滚角度。我们通过调整方向舵面、横滚角度来控制飞机的当前飞行航向，使之尽量接近为压航线而应该飞行的目标航向。那么我们如何给出这个控制量，比如给哪个方向的、多大的方向舵量呢？最简单的考虑，是按照当前航向与目标航向的偏差大小来决定给多大的方向舵量：方向舵量p=P*（目标航向-当前航向）。这个方向舵量p,就是PID控制里的P部分，即比例部分。那么，是不是只要有了P,我们的控制就完成了呢？实际上有了P,在大多数情况下，我们可以控制飞机朝目标量去接近，但可能会出现一些情况，比如，当飞机的安装有偏差（我们称之为系统误差），导致我们输出一个左5方向舵给舵机的时候，飞机才能直飞；当不给方向舵，即方向舵放在中位时，飞机会右偏。我们想象一下这个时候如果只有P项控制会有什么后果：假设初始状态是飞机飞行航向和目标航向一致，按P输出飞机方向舵应该在中位。而这时候，由于系统安装误差的存在，会导致飞机偏右，于是偏离了目标航向，然后P项控制会输出一个左舵，来修正航向偏差，刚开始的时候由于偏差量很小，输出的这个左舵也很小，于是飞机继续右偏，然后导致这个左舵加大，最终到达5，使飞机直飞，但这时候的飞行航向与目标航向始终存在一个偏差，这就是P的局限，无法修正系统误差。于是I项积分控制就出场了。I项的输出这样定义：方向舵量i=I*（偏差和）。偏差和是当前航向和目标航向的偏差，每计算一次累加一次，一直累加到上次的值，再加上这次计算时当前航向和目标航向的偏差。即这个偏差和是跟以前的累积误差有关的。同样是上面的例子，I项的效果就这样体现：当飞机飞行航向与目标航向始终存在偏差时，I项将这个值累加上，比如说是5度吧，于是在P项之上，再叠加一个I*5的修正量，增加了一个左舵，比如说是2,然后导致飞机的飞行航向与目标航向的偏差会小一些。也许这一次计算输出的控制量并没有完全消除误差，但下一次再计算时，如果还有误差，于是会继续再增加输出控制量，使误差再小，于是经过多次计算后，使I项始终输出一个左5的舵量，使误差归零。这就是I项的作用，消除系统误差。D项的意思是微分。为了便于解释，我们假设不存在系统误差，I项为0。比如当目标航向为0度,当前航向为30度时，根据P项作用，会输出一个左舵，假设为左15吧，使飞机向左转向，于是当前航向逐渐减小，比如减小到20度的时候，P项输出的左舵也会减小到左10。那么，当飞机转到0度时，跟目标航向一致时，P项输出方向舵回到中立位，飞机是否就保持0度直飞了呢？XX是否定的。由于飞机的惯性，飞机在左转弯时产生了一个左转弯的速率，导致飞机航向回到目标航向无偏差且方向舵回中后，仍然还会继续左转，然后产生负的偏差，P项再输出右方向舵，然后再回中。如果P项合适，我们看到的就是一个逐渐收敛于目标航向的飞行航向，即先左过头，然后右过头，再左过头，再右过头最后过头量越来越小，最终到达目标航向。而D项的作用，就是尽量消除这个过头量，使之尽快贴近目标航向。D项的定义是：方向舵d=D*（当前状态量-上一次的状态量）。在这个例子中，当飞机在从30度的航向，左转弯到0度目标航向的过程中，D项的输出实际上是转弯角速率的比例值，并且方向与P项相反，这样当飞机比较接近0度目标航向时，由于P值已经很小了，而这时候如果转弯速率不小，D项就输出一个右方向舵，抵消过快的转弯速率，阻止飞机航向到达目标航向后继续冲过头。最后，方向舵量=方向舵量p+方向舵量i+方向舵量d，为完整的输出。根据飞行的表现,通过对P、I、D系数的调整，最终使输出的控制量能够尽快的控制状态量贴近目标量，并消除系统误差，避免过度震荡。在完整的固定翼飞控系统中，除了航向通道需要PID控制外，其余需要控制的通道还有：副翼舵-目标横滚角、升降舵-目标俯仰角、目标俯仰角-高度差、油门舵-空速、目标航向-偏航距。