以四軸飛行器為例，了解串級PID資料下載

什么是串級PID? 什么是串級PID？顧名思義就是兩個(gè)串起來的PID，下面是一個(gè)雙閉環(huán)的例子，外環(huán)是位置環(huán)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，最終的執(zhí)行器是電機(jī)，電機(jī)輸出產(chǎn)生了速度和位置；具體框圖如下圖所示； 當(dāng)然執(zhí)行器也可以是四軸飛行器，整體過程如下： 我們在外環(huán)給定相應(yīng)的位置高度，外環(huán)PID的輸出就是內(nèi)環(huán)PID的期望值； 內(nèi)環(huán)PID的輸出將產(chǎn)生相應(yīng)的油門大小，最終飛行器會(huì)產(chǎn)生上升的速度； 內(nèi)環(huán)反饋值為速度，控制相應(yīng)的速度達(dá)到外環(huán)所需的速度期望值； 最終外環(huán)達(dá)到期望的位置； 可能這里比較抽象，好吧，下面繼續(xù)細(xì)化一下硬件的細(xì)節(jié)； PID的算法控制其實(shí)是一種無系統(tǒng)模型的控制，可以根據(jù)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)去調(diào)試系統(tǒng)； 但是實(shí)際的物理對象的模型其實(shí)早就確定好了，PID的輸入量和輸出量的物理意義也會(huì)因?yàn)閷?shí)際的被控對象而改變； 換句話說，PID的輸入基本上和系統(tǒng)的反饋量相關(guān)，而實(shí)際的反饋量是什么，從一開始就因?yàn)橄到y(tǒng)而確定下來了； 內(nèi)環(huán)和外環(huán) 如果外環(huán)是因，那內(nèi)環(huán)就是果。萬物皆有因果。 比如伺服控制器的三環(huán)： 位置環(huán) 速度環(huán) 電流環(huán) 外環(huán)的變化會(huì)直接導(dǎo)致內(nèi)環(huán)的變化，而內(nèi)環(huán)是直接導(dǎo)致執(zhí)行器變化的關(guān)鍵，如果這里依然使用飛行器作為例子，對于整個(gè)四軸飛行系統(tǒng)而言； 我們通過控制電機(jī)的電流，從而決定電機(jī)的輸出扭矩； 扭矩和負(fù)載一起決定電機(jī)轉(zhuǎn)速； 螺旋槳快速旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生了飛行器的升力，于是也決定了上升的速度； 最終也導(dǎo)致了飛行器的位置變化； 這是整個(gè)的控制過程。 如果只用單環(huán)的PID去控制系統(tǒng)，可以在給定系統(tǒng)期望的情況下達(dá)到所需要的位置嗎？ 答案是可以。 那這樣串級PID還有什么意義嗎？ 答案是有。 我們試想一下，如果單純使用單環(huán)PID去控制系統(tǒng)。 那我們看一下單環(huán)的PID系統(tǒng)框圖； 我們設(shè)定了一個(gè)高度，并且希望飛行器達(dá)到預(yù)期位置高度，那么這時(shí)候系統(tǒng)的反饋值只有位置量； 那么飛行器是以什么樣的速度去飛行？以什么樣的加速度去啟動(dòng)？我們就無法去有效地控制飛行器的速度，讓它去快速地到達(dá)期望的位置，具體位置曲線如下圖所示； 其實(shí)不難理解，因?yàn)橐婚_始的高度差很大，所以PID計(jì)算輸出的值就很大，因此初始速度會(huì)非常大，隨著飛行器越來越接近期望位置，偏差越來越小，PID輸出量逐漸減小，因此速度逐漸減小。 其實(shí)很多時(shí)候，PID只是底層，稱之為內(nèi)環(huán)PID，通過它可以先穩(wěn)定某個(gè)系統(tǒng)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)特性，然后在外層嵌套其他算法，當(dāng)然，外面有好幾層PID的控制系統(tǒng)是也很常見的。也就是我們介紹的串級PID的系統(tǒng)，具體如下所示； 控制器的本質(zhì)是出入跟輸出的函數(shù)映射關(guān)系。 其實(shí)從這個(gè)角度來看，通常PID適用于低階的線性時(shí)不變系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上限制到P，I，D三個(gè)系數(shù)。 整體還需要根據(jù)具體的系統(tǒng)，有所變化，有的系統(tǒng)其實(shí)只需要兩個(gè)系數(shù)（比如PD或PI），甚至有的系統(tǒng)只需要一個(gè)就行（比如P）。因此上面系統(tǒng)中，外環(huán)只需要使用P環(huán)節(jié)就足夠了，另外可以對速度曲線進(jìn)行規(guī)劃。