四旋翼飞行器的串级PID姿态控制,此文是一篇旋翼飞行器论文范文,为你的毕业论文写作提供有价值的参考。
旋翼飞行器论文参考文献：
摘 要：四旋翼飞行器通过调节四个电机的转速来实现俯仰、翻滚、偏航运动,飞行姿态控制是关键.本文通过一种串级PID控制算法,通过参数整定,有效实现了四旋翼飞行器的姿态控制.
关键词：四旋翼；无人机；串级PID
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0248-02
四旋翼飞行器是目前热门热点,其飞行姿态控制有着非线性、强耦合、欠驱动、干扰敏感等特点,因此其控制器的设计比较复杂.随着越来越多先进的控制理论的提出和实践,人们尝试各种控制算法去改善其飞行性能.基于PID进行改造的控制方法应该是最基本也是最实用的方法,本文尝试一种串级PID的控制方法对四旋翼飞行器进行控制.
1串级PID控制算法原理
根据四旋翼飞行器的动力学模型可知：三个姿态角即翻滚角（Roll）、俯仰角（Pitch）和偏航角（Yaw）,简化后三个方向都是一个二阶系统,可对三个方向分别使用PID控制.
本文姿态控制采用基于文献提出的串级PID控制方法来控制姿态,即内回路为速度控制环,外回路为角度控制环.具体控制框图如下图1所示：
2 PID参数的整定
采用串级PID控制策略,内环相对外环是独立的,在内环参数整定过程中,不用考虑外环系统模型参数,因此先调内环,再调外环.
（1）内环PID参数
a.内环比例P
Roll内环角速度PID调节,当P等于0.1时,调整时间过长；当P等于0.2时,调整时间缩短了一半.增大比例系数可以增加系统的回复力,从而减少调整时间,但是一味的增大比例系数会导致系统震荡,观察P等于0.2恢复平衡后的PID输出,可以发现虽然当前角度已经处在平衡点,但是PID输出经过几个波动后才渐趋平稳,而对比P等于0.1可以看到,在当前值处于平衡点时,PID的控制输出时非常平稳的.为了加快调整时间,同时减少系统的震荡,最终取比例系数P为0.15.
b.内环微分参数D
微分项具有增加系统阻尼的作用.观察D等于0.1和D等于0.2输出结果发现,增大微分项,PID控制输出角度平稳后波动少,波动幅度小,控制非常平稳,这样系统的震荡就大大降低了.考虑调整时间和系统阻尼,微分项系数D取0.1.
c.内环积分项参数Ⅰ
给积分项Ⅰ初定为0.1,可以明显看到输出值跟目标值接近,也就是说系统的稳态误差被消除了,但震荡也非常明显,如果继续增大积分项Ⅰ,系统的控制输出震荡将加大,系统最终将失去稳定.最终确定积分项系数0.07.
（2）外环PID参數
实验发现,当内环控制非常平稳的时候,外环参数整定非常方便,参数可以在一定范围内调整,而输出仍然非常平稳.发现纯比例调节的时候,输出已经能够实现平稳状态.微分项和积分项可以根据要求适量加入.最终取P等于4.5,I等于0,D等于0.
3测试结果
单轴PID测试的结果曲线如下图2所示：
图2中有三种颜色的线,红色的线是目标值,我们期望目标是处于0度,即处于平衡位置；绿色的线是当前值,是测得当前Roll的姿态；的线代表经过PID控制器输出的量.图中的纵坐标是角度,横坐标为图像的帧数,一帧图像为100ms,即0.1s.观察曲线我们可以看到,上电一瞬间,当前Roll经过一个小波调整之后就恢复到平衡状态,调整时间在50帧,即5s,超调量在10度.
单轴Roll的外力干扰实验测试如下图3：
从图3曲线中我们可以看到,当第一次到达稳定状态后,在Roll方向给个外力,四旋翼经过一个波的调整马上又恢复到了平衡状态.外力干扰的实验表明,四旋翼在室外飞行时,可有效抵抗风力的干扰.
4结论
用同样的方式,在Pitch和Yaw方向进行了串级PID参数整定,最终所得四旋翼姿态平衡的PID参数如下表1所示.
经过整机实验调试,证明该组串级PID控制参数,对四旋翼飞行器控制效果良好.
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