基于PID 算法的四旋翼飞行器控制系统研究

基于PID 算法的四旋翼飞行器控制系统研究
作者：唐鹏赵国森韩万齐孙睿高榕廷
来源：《经济技术协作信息》 2018年第8期
引言：四旋翼飞行器通过四个螺旋桨提供驱动力，实现垂直方向起降。

其结构简单、体积小、操作便捷，涉及计算机、电子、通信等多个学科，被广泛应用于军事、民用等领域，具有广泛的应用前景。

然而，四旋翼飞行器具有欠驱动、耦合性强等特性：（1）四旋翼飞行器有六个基本的运动形式，即有6 个自由度，构成四输入欠驱动系统。

而该控制系统复杂，具有非线性、耦合性强，以及变量多、对干扰敏感的缺点；（2）飞行器位置与姿态直接耦合，且模型准确性、传感器精度对控制器性能影响严重，所以需要研究有限算法控制飞行。

PID 算法控制是当今四旋翼飞行使用的便捷、有效的控制算法，具有很强的研究价值。

本文通过分析飞行器存在的问题，阐述PID 控制算法，优化PID 算法，制备飞行器样件并测试。

一、PID 控制器
PID 控制器作为经典控制理论中最具代表性的控制算法，其在实际工程应用中的有效性毋庸置疑。

控制器包括三个部分：比例项、积分项和微分项，这三项对系统输入与输出的误差分别作比例运算、积分运算和微分运算，并将结束求和输入被控对象实现对系统的控制。

在控制系统中，将给定值r(t)与被控对象的输出c(t)的差值称为偏差：
对偏差e(t)进行比例放大、积分和微分后进行线性求和后的u(t)作为PID 控制器的输出对被控对象进行控制，PID 控制器的数学表达式为：
通过调节比例项的系数P、Ｋp 积分项I 的系数和微分项D的系数KD 就可以调整系统的性能，常用的参数整定方法有：依据经验的凑试法，经典的频率法和根据主导几点判断系统稳定时域法。

控制算法将比例、积分、微分三种控制结合在一起，综合三者的优点，利用比例控制器能够快速地降低抵消干扰，利用积分控制器能够控制稳态误差的影响，微分控制器具有预见性，能够改善系统的稳定性，从而提高控制系统的控制精度。

二、PID 优化算法
基于经典控制算法的控制系统在响应时间、超调量和控制精度上都还存在着不足，因此有必要在经典控制算法的基础上对其进行改进。

对经典控制引入积分环节的目的主要是为了消除系统的静态误差，但是由于积分参数的不确定性，会导致系统的稳定性下降，造成运算的积分积累，甚至引起系统产生较大的超调和较大的震荡，为保证系统的稳定性引入了积分分离。

积分分离控制算法的基本思想是：在被控量与目标值之间的偏差较大时，将积分作用取消，防止积分环节对系统造成的不良影响；当被控量接近给定值时，引入积分环节，来消除静态误差，提高系统精度。

它的具体实现步骤为（1）根据实际需要，设定阈值ξ，且ξ>0；（2）当>0 时使用PD 算法，反之当|e(x)|≤ξ 时，使用PID控制算法。

积分分离控制算法可表示为：
三、飞行器制作
掌握四旋翼飞行器系统组成与元件属性，其中四旋翼飞行器全部元件包括扎带、电机座、
电机、无线模块、电池插件、电源开关、飞控和机架、无线模块插架、锂电池、桨叶、护罩等。

精密完成飞行器组装，其步骤为：1）焊接电源开关；2）安装电机组件；3）将电机对号入座安装到PCB 上；4）焊接无线模块接口；5）焊接电池线并用扎带固定；6）安装防护罩；7）安装
正反桨。

完成四旋翼飞行器的制作。

依据PID 优化算法，将该飞控方法应用于搭建的四旋翼飞
行器中，实验表明，优化好的PID 算法可有效提高飞行器的稳定性。

总结：本文主要研究了PID 算法及其优化方法，建立数学模型，采用Matlab 软件进行仿真，并将其应用于四旋翼飞行器控制系统中。

通过自主搭建四旋翼飞行器，并进行测试，结果
表明，优化的PID 飞控方法能够有效提高飞行器的稳定性，对飞行器发展具有一定的促进作用。

（作者单位：吉林建筑大学电气与计算机学院）。