PID算法在四旋翼飛行器上的應用

潘澳 謝欣秀 李天鷹

摘要：此設(shè)計的四旋翼飛行器由STM32f407VG作為主控制器，控制上采用PID算法，PID調(diào)試過程是通過調(diào)試軟件調(diào)節(jié)P、I、D的值使飛行器的穩(wěn)定性、快速響應速度和穩(wěn)態(tài)精度達到要求的范圍，最終使系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;控制器;PID算法;最優(yōu)狀態(tài)

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0117-01

0 引言

PID算法在四旋翼飛行器上的應用非常廣泛，其本質(zhì)就是把采集到的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)相減，然后把此差值應用到系統(tǒng)的輸入值，系統(tǒng)輸入值就會讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)達到或保持在設(shè)定的參考值范圍內(nèi)。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、計算方便等優(yōu)點。

1 四旋翼飛行器無刷電機驅(qū)動算法

PID算法充分考慮到控制對象過去、現(xiàn)在和將來三種狀態(tài)，以此來決定當前的輸出控制， 在模擬控制系統(tǒng)中，按給定值與測量值的偏差e進行控制的PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，其PID表達如公式1所示。式中，KC為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間，u0為偏差e=0時間的調(diào)節(jié)器輸出。

因為飛行器控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，控制器每隔一個控制周期T進行一次控制量計算并輸出到執(zhí)行機構(gòu)。所以，數(shù)字式PID控制是根據(jù)理想PID算法得出，若控制系統(tǒng)控制周期為T，在控制器在采樣時刻t=kT時進行采樣，就得到離散系統(tǒng)差分方程，如公式2所示。

四旋翼飛行器的PID算法具有更直觀快速的信號輸出。在系統(tǒng)開始運行的時候“P”、“I”、“D”都會起作用，所以開始產(chǎn)生非常強的超標現(xiàn)象，輸出信號呈直線上升，然后慢慢降在標準區(qū)域附近一直震蕩，震蕩幅值越來越小，最終使飛行器達到平穩(wěn)飛行。

PID算法具有直觀快速的信號輸出能力，在系統(tǒng)開始運行的時候“P”、“I”、“D”都認為系統(tǒng)存在問題，并產(chǎn)生強烈的控制“欲望”，所以信號輸出產(chǎn)了生較強的超調(diào)現(xiàn)象。信號輸出呈直線上升趨勢，然后慢慢降在標準區(qū)域附近反復震蕩，隨時間變化震蕩幅值逐漸減小。PID控制參數(shù)的選擇是利用經(jīng)驗法決定的，將控制器的參數(shù)預先設(shè)定成一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，然后觀察系統(tǒng)的輸出過程，如果不能達到預想的效果，則按照程序改變控制器的參數(shù)，不斷修改參數(shù)直至四旋翼飛行器的飛行效果達到預期的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 結(jié)語

本系統(tǒng)的PID參數(shù)選擇方法是先比例，后積分微分法，即在純比例作用下，先對比例系數(shù)進行調(diào)整，使整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定的要求，再利用積分控制減小誤差，以提高系統(tǒng)的準確性，最后再加微分的作用，用來提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，以達到利用PID控制來調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)