無人機(jī)線性控制系統(tǒng)PID控制算法

1、無人機(jī)線性控制系統(tǒng)PID控制算法PID線性控制比例微分積分線性控制，即PID線性控制理論，是經(jīng)典控制理論中線性控制系統(tǒng)甚至一些非線性控制系統(tǒng)中最常見的控制方法。PID控制系統(tǒng)具有簡單，實(shí)用，響應(yīng)快，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對于被控制對象，往往不需要了解控制模型和響應(yīng)模型等具體的被控規(guī)律，僅使用系統(tǒng)輸出的反饋來實(shí)現(xiàn)精確控制的規(guī)律，因?yàn)樗目刂婆c人工手動控制的規(guī)律相同。什么是PID?它分成三個部分，P代表比例控制，I代表積分控制，D代表微分控制PID控制器的出現(xiàn)甚至早于經(jīng)典控制理論的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的模型控制理論，在現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要通過對系統(tǒng)的狀態(tài)建模和狀

2、態(tài)的描述來進(jìn)行，因此現(xiàn)代控制理論所采用的控制方法都是應(yīng)用于各不相同的具體的控制對象，能夠更為精確精準(zhǔn)的對不同的系統(tǒng)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。PID控制器的問題：與現(xiàn)代控制理論相比，它們是兩種完全不同的控制方法。PID是控制領(lǐng)域的三種對時間域的三維元素（當(dāng)前，歷史和未來），將三者優(yōu)化組合在一起完成控制目標(biāo)，而現(xiàn)代控制則是基于針對某種優(yōu)化指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)算法來實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)PID控制器的最大問題是沒有一個明確的系統(tǒng)函數(shù)及優(yōu)化準(zhǔn)則，因此PID控制器的調(diào)參只能通過經(jīng)驗(yàn)測試調(diào)整，并且它只能將系統(tǒng)調(diào)整到某種可接受的近似狀態(tài)，且并不確定是否能調(diào)整到有更優(yōu)的控制器。與現(xiàn)代控制理論相比，它們是兩種完全不同的控制方法。PID

3、是控制領(lǐng)域的三種對時間域的三維元素（當(dāng)前，歷史和未來），將三者優(yōu)化組合在一起完成控制目標(biāo)，而現(xiàn)代控制則是基于針對某種優(yōu)化指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)算法來實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。比例控制當(dāng)操作人員控制一個系統(tǒng)要求系統(tǒng)的輸出達(dá)到某個值時給予一定的輸入值，輸出值逐漸接近直到達(dá)到指定的輸出值，這個過程中輸出值與指定輸出值之間的差可以作為輸入值的參考控制量，并進(jìn)行一定的比例調(diào)整，這種調(diào)整成為比例控制。例如操作人員手動控制加熱器的溫度，加熱器帶有溫度傳感器作為輸出值的表真，在控制過程中，操作人員可以通過視覺直接讀取溫度傳感器的反饋量，并與給定值的比較計(jì)算誤差，然后通過旋鈕操控控制輸入量調(diào)節(jié)加熱器的電源輸入，使得溫度接近并保持

4、給定值的附近。這種閉環(huán)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)都有可能存在各種各樣的延遲等作用。例如調(diào)節(jié)輸入后，溫度上升到新的穩(wěn)態(tài)值時需要一定的時間。由于延遲因素存在，調(diào)節(jié)輸入控制量并不能馬上看到調(diào)節(jié)的效果，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)比較困難的一個原因是系統(tǒng)延遲的效應(yīng)。比例控制的系數(shù)太小，則相同的誤差得到的輸入控制量較小，系統(tǒng)輸出量變化較慢，逼近指定的輸出量的速度也比較慢，調(diào)節(jié)力度偏弱，調(diào)節(jié)所需的時間較長。L匕例大小和/或不分時向太長.比時間太長過程值紫1接近設(shè)定值r并且無韜幅的至快設(shè)定值“變化迅速.存在微小超調(diào)展調(diào)過大，減小比例.i大積分時間積分控制往往有些系統(tǒng)存在長時間偏差，而比例控制項(xiàng)所計(jì)算得到的輸入控制量無法修正該偏

5、差，這時候就需要通過對歷史誤差量的累積分析來辨別并控制長時間的累積誤差。這就是積分控制。由于一般在數(shù)字處理系統(tǒng)中PID控制程序是周期性運(yùn)算執(zhí)行的，每次控制算法執(zhí)行一個周期時，積分控制項(xiàng)累加當(dāng)前的誤差值，因此當(dāng)輸出量與指定輸出量完全相等時，積分項(xiàng)為00積分項(xiàng)有消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，可以提高控制精度。由于積分項(xiàng)是將過去的歷史誤差信息累積起來，具有比較大的滯后效果，對于系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性會有影響，因此如果積分項(xiàng)的系數(shù)設(shè)置不合理，它的影響很難被迅速修正，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)的延遲，因此通常情況下都是將響應(yīng)實(shí)時的比例控制項(xiàng)與積分控制項(xiàng)結(jié)合起來使用。微分控制微分控制項(xiàng)對應(yīng)的是實(shí)際輸出值與指定輸出值之間誤差的微分項(xiàng)與微

6、分系數(shù)的乘積，也就是對應(yīng)了誤差項(xiàng)的變化率，誤差變化率越快，微分絕對值越大,誤差增大時，微分的符號為正，誤差減小時，微分的符號為負(fù)。微分控制項(xiàng)相當(dāng)于對輸出量的二階預(yù)測，并針對預(yù)測量提前進(jìn)行調(diào)整，例如有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在調(diào)節(jié)加熱器時能夠感知溫度上升或下降太快，但還未達(dá)到設(shè)定值時，預(yù)感到按照當(dāng)前的輸入量有可能出現(xiàn)輸出超調(diào)或者過沖的現(xiàn)象，于是提前減小控制輸入量。因此微分控制項(xiàng)具有對輸出控制的阻尼作用，或者具有提前預(yù)測的作用PID線性控制當(dāng)飛行器正常飛行或者懸停時，突遇外力(風(fēng)等)或磁場干擾，使加速度傳感器或磁力傳感器采集數(shù)據(jù)失真，造成姿態(tài)解算出來的歐拉角錯誤，只用角度單環(huán)情況下，使系統(tǒng)很難穩(wěn)定運(yùn)行。為了

7、實(shí)現(xiàn)無人飛行器的穩(wěn)定控制飛行，“光標(biāo)”飛控采用了兩級PID閉環(huán)串聯(lián)控制的方式，即外環(huán)PID和內(nèi)環(huán)PID。內(nèi)環(huán)PID其中角速度控制環(huán)作為內(nèi)環(huán)，角速度由陀螺儀采集數(shù)據(jù)輸出，采集值一般不存在受外界影響情況，抗干擾能力強(qiáng)，并且角速度變化靈敏，當(dāng)受外界干擾時，回復(fù)迅速；同理，高度環(huán)中氣壓傳感器同樣也會受到外界干擾，引入z軸加速度環(huán)可有效避免外界干擾造成的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。外環(huán)PID外環(huán)PID采用遙控輸入信號作為目標(biāo)變化角度，與姿態(tài)解算任務(wù)解算出的當(dāng)前姿態(tài)角得到誤差角，外環(huán)誤差角速度為第二級角速度控制器的輸入進(jìn)行內(nèi)環(huán)PID控制。PID控制算法位置式數(shù)字PID控制u(t)kpe(t)ki*e(t)d

8、tkd竽式中:fi(f)PID輸出值-一期望值與實(shí)際值之差一積分量，%.kr匕為比例.積分.微分在將積分量，微分量離散化得到PID計(jì)算公式：、u(t)kpe(t)kite(j)Tkde；(t1)j01基于以上公式，姿態(tài)PID控制算法如式AnglePIDOut(t)kpe(t)ki：e(j)Tkde；(t1)AngleRatePIDOut(t)kpe(t)kite(j)Tkde魯1)j0AngelPIDOut(t)為角度環(huán)PID輸出AngelRatePIDOut(t)為角速度環(huán)PID輸出e(t)=期望角度一實(shí)際角度，e，(t尸AngelPIDOut(t)-實(shí)際角速度外環(huán)PID實(shí)現(xiàn)在“光標(biāo)”飛控中

9、，由于采用了實(shí)時操作系統(tǒng)來編排算法時序，操作系統(tǒng)可以確保內(nèi)外環(huán)運(yùn)行的準(zhǔn)確時序，并且內(nèi)環(huán)與外環(huán)由于執(zhí)行的特性，它的運(yùn)行頻率不同，因此采用了不同的實(shí)時任務(wù)來分別實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)與外環(huán)控制算法。這樣可以確保內(nèi)外環(huán)的PID迭代循環(huán)不被其他低優(yōu)先級的任務(wù)和循環(huán)所打斷，且能夠達(dá)到既定的控制頻率。在雙環(huán)級聯(lián)PID系統(tǒng)中，外環(huán)PID作為控制的輸入穩(wěn)定環(huán)，主要負(fù)責(zé)對輸入環(huán)節(jié)進(jìn)行穩(wěn)定控制，并提供內(nèi)環(huán)的輸入信號。以下為外環(huán)PID詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖內(nèi)環(huán)PID實(shí)現(xiàn)在雙環(huán)級聯(lián)制角速率的輸出,PID系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)作為控制的速率穩(wěn)定環(huán)，它主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定控以下為內(nèi)環(huán)PID的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖移動平滑濾波Do由于飛行器電機(jī)馬達(dá)和槳葉揮舞產(chǎn)生的機(jī)體振動較大，

10、頻率較高，MEMS傳感器的原始數(shù)據(jù)會受到該振動的影響，從而輸出帶有高頻噪聲的原始數(shù)據(jù)。這種高頻噪聲對于后續(xù)的姿態(tài)解算以及飛控算法都是有一定的損害的，因此必須將其濾除。一個比較常用的簡單濾波方法是平滑濾波。帶有噪聲的傳感器原始信號在時域內(nèi)所帶有的短時間跳變的起伏不平的屬性在頻域范圍內(nèi)代表了高頻成分，上升和下降的速度越快，則表示頻率越高，那種不隨時間變化或者隨時間緩慢變化的部分則是頻率較低的信號，所謂平滑濾波就是指使這些不平滑的高頻成分變得平滑，使得變化沒有原來那么劇烈，整個信號更能反映原信號低頻分量的成分。因此平滑濾波實(shí)際上是一種低通濾波器，和其他濾波器不同的是，它是一種從時域方面進(jìn)行設(shè)計(jì)的濾波

11、算法，屬于低頻增強(qiáng)的時域?yàn)V波技術(shù)，有的圖像處理技術(shù)也通過空間域平滑濾波的算法進(jìn)行降噪處理的應(yīng)用。平滑濾波一般采用時域或空間域的簡單平均法的方式實(shí)現(xiàn)，也就是求時域或空間域向鄰近的采樣點(diǎn)的數(shù)值求平均來去除突變的數(shù)據(jù)。因此鄰近采樣點(diǎn)的數(shù)值大小偏差直接影響平滑濾波的效果，鄰域的數(shù)值相差越大，則平滑效果越好，但高頻信息的損失也越大。F1F。緩沖區(qū)每個循環(huán)移位一次FIR濾波FIR(FiniteImpulseResponse)濾波器，有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，又稱為非遞歸型濾波器。FIR濾波器是數(shù)字信號處理中較常用的迭代型濾波器，它可以保證在設(shè)計(jì)任意幅值-頻率特性的同時具有嚴(yán)格的線性相位-頻率特性，同時因?yàn)?/p>

12、它并沒有從輸出端的信號反饋回濾波器內(nèi)部，它的單位沖擊響應(yīng)是有限長度的，因此FIR濾波器是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，在各類通信、信號處理、圖像處理、控制、模式識別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特性只需要簡單的周期迭代和乘累加運(yùn)算，非常易于在微處理器和DSP中實(shí)現(xiàn)。由圖7門的結(jié)構(gòu)圖可以得到，離散FIR濾波器系統(tǒng)的事分方程表達(dá)式是八一】y(n)=Wh(m)x(n-m)m=0其中m表示濾波器的階數(shù).此外，F(xiàn)IR濾波器還有其他不同的形態(tài).例如級聯(lián)型等.RR濾波器的特性是：系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)hmi在有限個n值處不為零.系統(tǒng)函數(shù)H在|工|>0處收斂.極點(diǎn)全部在工=。處(因果系統(tǒng))B結(jié)構(gòu)上壬要是非遞歸結(jié)掏“沒有輸出到輸入的反饋,但有些結(jié)構(gòu)中(例如須率抽樣結(jié)肉)也包含有反饋的遞歸部分.單位;中激響應(yīng)”M為一個N點(diǎn)序列,OfinSN-1.濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為H立1.它有(N-1)粉極點(diǎn)在1選r有(N-1)個零點(diǎn)位于有限工平面的任何位置.IIR濾波IIR(InfiniteImpulseResponse)濾波器，即無限沖激響應(yīng)濾波，是一種遞歸型濾波器，由于它具有輸出反饋環(huán)路部分，導(dǎo)致任何時刻的輸入都永遠(yuǎn)會對后續(xù)的輸出產(chǎn)生影響，因此稱為無限沖激