基于四軸飛行器的PID姿態控制系統

摘 要：本文主要為讀者講述PID的概念、介紹基于四軸飛行器的PID姿態控制系統的設計和PID的參數整定切身經驗和方法。

關鍵詞：四軸飛行器；PID；參數整定

中圖分類號：V249.122.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

近來四軸飛行器在無人機領域獲得了新生。四軸飛行器飛行穩定，操控靈活，能輕易進入人不易進入的各種惡劣環境。可用來執行航拍電影取景、實時監控、地形勘探等飛行任務。這些都是以飛行器上的姿態采集和控制為基礎的，而控制的靈魂是算法，其中最常見的算法就當PID算法莫屬。

一、PID介紹

PID是什么？要弄清楚怎樣定義之前，我們先要理解一個最基本的概念：調節器。調節器就像是人的大腦，就是一個調節系統的核心。任何一個控制系統，只要具備了帶有PID的“大腦”，那它就是具備控制思想和調節方法的自動調節系統。基本的調節器具有兩個輸入量：測量值和目標值。測量值就是反映被調節對象的實際波動的量值。比如本文涉及到的四軸飛行器的姿態角等等；目標值顧名思義，是人們設定的值，也就是人們期望測量值需要達到的值。基本的調節器還至少有一個模擬量輸出，“大腦”根據輸入偏差（目標值與測量值的差值）運算之后就發布一個精確的命令讓執行機構去按照它的要求運行。

那么回到剛才的提問：“什么是PID？”。PID控制（比例-積分-微分控制），就是通過Kp，Ki和Kd三個控制參數的設定，對輸入偏差分別進行比例積分微分運算，用運算的疊加結果去控制的執行機構。PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，主要適用于基本上線性、且動態特性不隨時間變化的系統。

二、基于四軸飛行器的PID設計

四軸飛行器系統是一個時變且非線性的系統，采用傳統PID算法的單一的反饋控制會使系統存在不同程度的超調和振蕩現象，無法得到理想的控制效果。本系統將前饋控制引入到了四軸飛行器系統的控制中，有效地改善了系統的實時性，提高了系統的反應速度。并且根據四軸飛行器系統的特點，對數字PID算法進行了改進，引入了微分先行環節，改善了系統的動態特性。使得控制器能夠更好地適應四軸飛行器系統的實際情況。

在姿態角的控制中，本設計將期望角與解算出來的測量角作差，得到偏差error。將error乘以一個比例系數kp。在只有kp作用下，系統會有靜差所以考慮利用積分ki控制消除穩態誤差。但積分控制會降低系統的動態性能，甚至造成閉環系統不穩定，因此要對積分進行限幅，防止積分過大。

對于微分，如果采用傳統的D方法，在人為操縱四軸時會產生輸入的設定值變化頻繁且幅度較大，從而造成系統的振蕩。對人為控制十分不利，為了解決設定值的頻繁變化給系統帶來的不良影響，本文在姿態角控制上引入了微分先行PID算法，其特點是只對輸出量進行微分，即只對陀螺儀角速度測量值進行微分，而不對姿態角的設定值進行微分。這樣，在設定值發生變化時，輸出量并不會改變，而被控量的變化相對是比較緩和的，這就很好地避免了設定值的頻繁變化給系統造成的振蕩，明顯地改善了系統的動態性能。

三、PID參數整定

PID參數的整定是PID控制的關鍵環節，直接影響到控制的效果。故一個PID設計的好不好往往要看其參數能否調節好，本設計的PID參數調節采用湊試法。通過觀察系統的響應，在本設計中通過觀察被調量、PID輸出、設定值，判斷出kp，ki，kd控制參數對系統響應的影響，反復嘗試，最終達到滿意響應，從而達到確定控制參數的kp，ki，kd并實現飛行器自穩定的目的。

（一）整定過程

先調P，將I、D都置0。先給P一個比較小的值，如果飛行器倒向左邊，則P給小了，因為在平衡過程中P相當于飛行器的回復力，它要努力使四軸停在一個穩定的平衡位置。下一次給一個較大的P，如果飛行器往右邊倒，則證明P給大了，回復力太大導致超調。那么合適的P便在這兩個P值之間，反復試驗幾次并對比現象便可找到P震蕩的臨界點。先找出能使飛行器保持平衡一段時間的P的區間，接著定下一個合適的P值。

之后保持P不變按照調P的方法來調D，而D是阻尼力，他在四軸有速度的情況下才發揮作用，它與速度方向相反始終是抑制運動。所以他可以抑制震蕩，同樣也可以抑制P的作用。它始終期望的是它所作用的對象沒有運動，至于停在什么位置不是D所關心的，那是P、I所關心的。因此若調整D至出現四軸飛行器在外力的干擾能明顯的有回復力且能快速穩定在平衡點。則能確定出D的區間，并定下一個合適的D值。

在這兩個值附近再試幾組參數，觀察并對比效果得到最優參數。調好P、D后此時四軸的穩定狀態與期望狀態間也會有靜差。接下來加入I，當靜差差不多被消除時，我們再對P，I，D三組參數在小范圍內聯調。最后確定恰當的積分限幅值，完成整個PID參數的整定。

（二）整定心得

1.在整定參數的時候，要記住：比例積分微分三個參數的大小都不是絕對的，都是相對的。切不可以為發現一個參數比較合適，就把這個參數固定死，不管別的參數怎么變化，永遠不動前面固定的參數。

2.調節PID應要了解最基本PID三個參數對四軸飛行器的作用效果：P是回復力，是系統回復平衡的主力。D是阻尼力，始終是抑制作用，抑制出現的變化。I雖然能消除穩態誤差使系統回復，但是I大了容易激發震蕩，積分作用只是輔助P進行調節，應隨P的變化調整。

3.整定參數最常見的現象是震蕩，要記住震蕩的產生可能與三個參數都有關。P會產生一種震蕩，這種震蕩是會發散的，頻率較低。D也會產生一種震蕩，這種震蕩是等幅的，頻率較高的。遇到震蕩要仔細觀察現象作出相應調整。

四、結束語

本文是在完成“基于STM32的四軸飛行器航拍定位系統”項目時的經驗總結，本項目由廣東海洋大學大學生創新創業訓練計劃項目資助。本文主要分享了關于PID的參數整定，關鍵在于對PID的理解和整定的心態，切不可抱著僥幸的心理將參數排列組合后想當然得亂試，應多多觀察及對比各種現象后仔細分析作出調整。

參考文獻：

[1]白志剛.由入門到精通-吃透PID[DB/OL].

[作者簡介]陳海生（1980-），男，廣東徐聞人，信息學院自動化系教師，工學碩士，主要從事自動控制理論、信號與系統、Matlab和C/C++程序設計教學工作，研究方向：生產過程在線檢測及控制技術、嵌入式數控技術。