四軸飛行器PID控制算法解析

1、任務(wù)總結(jié)之控制算法篇本飛行器主要采用的是PID控制算法。那么下面先對(duì)PID控制算法做一些簡(jiǎn)要的介紹，下圖為PID控制算法的控制框圖所謂PID 指的是Proportion-Integral-Differential，翻譯成中 文是比例-積分-微分。PID控制率也可以解釋為：誤差的過(guò)去（積分 項(xiàng)），現(xiàn)在（比例項(xiàng)）和將來(lái)（微分項(xiàng)）的加權(quán)和（線性組合）。PID 控制器是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的控制器。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)不能完全掌握或者得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難 以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確 定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。（1）比例康）控制比例控

2、制是使控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)e成比例，僅有比例 控制系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。（2）積分控制此時(shí)控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除 穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)的誤差取決于時(shí) 間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)誤差會(huì)增大。這樣，即便誤差很 小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它使控制器的輸出增大，使 穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直至等于0.因此積分控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控 制。（3）微分（D）控制微分控制中。控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變 化率）成正比關(guān)系，控制系統(tǒng)存在較大滯后特性時(shí)，其輸出的變化總 是落后于誤差的變化。增加微分項(xiàng)，也就相當(dāng)于它可以預(yù)測(cè)誤差變

3、化 的趨勢(shì)，提前抑制誤差，避免被控變量的嚴(yán)重超調(diào)。微分控制器能改 善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由圖1.1可以寫出模擬PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。計(jì)算機(jī)控制是一種離散的采樣控制，因此實(shí)際應(yīng)用的是數(shù)字PID控制器。即將模擬PID表達(dá)式離散化。數(shù)字PID位置型控制算法如下：改二犬4 + ? Z與+半& - -i）0 T其中T為采樣時(shí)間 對(duì)于電機(jī)速度的控制，我們采用的是位置型控制控制算法，能夠達(dá)到我們所需要的調(diào)節(jié)效果。姿態(tài)控制中高度采用的是?控制，角度采用的是PD調(diào)節(jié)，而旋轉(zhuǎn)控制采用的是?1控制。具體如下：1控制算法之一一角度控制_ U , f0|PD調(diào)節(jié)

4、器d_speed_l2控制算法之一一旋轉(zhuǎn)控制MFU6050用za陀螺儀的值作為反 饋,控制自旋。I 0 |S匚；| pi調(diào)節(jié)器jd_speed_23控制算法之一一高度控制超聲波值高戴制 活姿態(tài)控制4控制算法之電機(jī)控制Pi 節(jié)器Jspeed_3任務(wù)總結(jié)之參數(shù)整定PID控制算法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但缺點(diǎn)在于控制器的參 數(shù)整定相當(dāng)繁瑣，需要有較強(qiáng)的過(guò)程經(jīng)驗(yàn)。本飛行器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用 了較多的是試湊法。即通過(guò)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì) 系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，已達(dá)到滿意的響應(yīng)。但試湊的 過(guò)程是在控制理論的指導(dǎo)下進(jìn)行的。其具體的實(shí)施過(guò)程為：1先整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)， 直至得到響應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)靜差小到允許范圍， 響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需比例控制即可。2如果在比例控制基礎(chǔ)上系統(tǒng)靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則要加入 積分環(huán)節(jié)，整定時(shí)首先使積分時(shí)間Ti為很大值（實(shí)際中使積分系數(shù) Ki為很小值），逐漸增大積分系數(shù)，直至靜差得到消除，并可以根據(jù) 響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分系數(shù)。得到滿意的整定參 數(shù)。3若PI控