如何对飞行器进行串级PID的调参？

 

摘自：https://mp.weixin.qq.com/s/UzfeVZiRe3HGdvVcJOB8HA

如何对飞行器进行串级PID的调参？

原创 across超越者 across说 6月25日

在飞控系统中，常用的控制算法是PID，基于其控制架构的特性，一般采用串级PID的控制结构，即是角速度/角度、速度/位置的串级PID。

而由于PID算法实现较为简单，因此不是工程上的难点，反而，往往是在其调参上，需要耗费大量的精力，甚至最终也未找到相对较优的参数。

 

那首先思考，难在哪？

具体来说，首先，因为控制器是串级的，所有两个控制器在一起调节的时候，很难把握某一个参数具体影响什么性能，相当于没有标准；

其次，对于飞控而言，角度的性能又会影响到定点的位置性能，所以往往只调一个回路是不奏效的；

 

工程如何做？

难归难，活还是要做的。那如何去做呢？简单来说就是由底层到上层，一层一层的进行控制器参数调节。至于调优的指标，首先就是实际多调试，经验多了自然懂，另外可以关注一下控制器的量化指标，简单来说就是目标值的跟踪性能，关注一下跟踪时间、超调以及稳定性之类的。

 

有没有更好的办法？

答案自然是有的。做算法的，自然可以借助一下matlab工具，在仿真环境中进行对模型的参数调优。

早期呢，可以在仿真中自己手动调优，这样明显是要比实际现场调参要快的多。

但是也有以下问题：

首先，仿真中调优，很依赖于使用的模型，模型如果与实际飞行器差别很大，那得到的参数也会偏差很大，这也是为什么大多数人并不遵循对飞行器进行数学建模，然后仿真调参，最后验证的流程的原因；

第二，在仿真中手动调参一样是不能保证找到最优参数的；

 

以上描述了仿真调优的两个问题。逐个分析，第一，精确的模型建模不在本文探讨范围；第二，针对上面的手动调优的问题，本文介绍如何在matlab下进行串级PID控制器的调参，仅供参考；

 

举例：

这里以四旋翼飞行器的姿态控制回路为例：

图中的传函表示的是控制输入到角速度的模型，加上积分环节，得到角度的模型。

找到matlab的app页面下的Control System Tuner。

打开：

然后加载控制器模块，即你要调优的控制器。

这里把要调参的两个控制器都勾选上。

这里需要对设置的参数再进行一些设置，以方便更加准确的找到最优参数。

比如姿态环只采用P控制，并设定最大最小值，因为参数不会小于0，最大值也是可以估计出来的。

然后再选择调优的目标，这里主要考察阶跃响应的跟踪，比如给定一个0.5rad的姿态目标。

在这个页面下，选择输入和输出的信号，这里从模型中进行选择，点中以后，再去simulink模型下选择对应的信号线就可以了。

选择完以后：

最后，就是设置你想要达到的目标响应。这里，我们选择一阶系统的阶跃响应，无超调，响应时间设置成0.4，其余设为默认。

1s改成0.4s

图中虚线就是要达到的目标状态，即在1.5s左右，响应到1rad目标值。

设置完成后，点击tune：

可以通过tuning report查看调优的结果，数值越接近1，效果越好。

图中看出，基本达到设置的响应曲线。

最后将调优的参数更新到simulink的PID模块中进行验证。

验证结果：

可以看出基本满足控制要求，具体的响应时间，可以根据需求调整。

姿态环参数：

角速度环PID参数：

以上就是本文的内容，如何通过matlab进行串级PID控制器的参数调优。以上都是最简单的基本功能，在调优APP中还可以通过其他指标，比如幅值和相角裕度等。

通过这个工具，能够帮我们找到基本的参数量级和大概参数值，而实际应用中，由于仿真的模型不够精准，往往还需要再精调一次，但参数的量级基本是正确的。

 

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