PID算法在四旋翼飞行器上的应用

潘澳 谢欣秀 李天鹰

摘要：此设计的四旋翼飞行器由STM32f407VG作为主控制器，控制上采用PID算法，PID调试过程是通过调试软件调节P、I、D的值使飞行器的稳定性、快速响应速度和稳态精度達到要求的范围，最终使系统达到最优状态。

关键词：四旋翼飞行器;控制器;PID算法;最优状态

中图分类号：V249.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0117-01

0 引言

PID算法在四旋翼飞行器上的应用非常广泛，其本质就是把采集到的数据和参考数据相减，然后把此差值应用到系统的输入值，系统输入值就会让系统数据达到或保持在设定的参考值范围内。PID控制器具有结构简单、稳定性好、计算方便等优点。

1 四旋翼飞行器无刷电机驱动算法

PID算法充分考虑到控制对象过去、现在和将来三种状态，以此来决定当前的输出控制， 在模拟控制系统中，按给定值与测量值的偏差e进行控制的PID控制器是一种线性调节器，其PID表达如公式1所示。式中，KC为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，u0为偏差e=0时间的调节器输出。

因为飞行器控制系统是离散系统，控制器每隔一个控制周期T进行一次控制量计算并输出到执行机构。所以，数字式PID控制是根据理想PID算法得出，若控制系统控制周期为T，在控制器在采样时刻t=kT时进行采样，就得到离散系统差分方程，如公式2所示。

四旋翼飞行器的PID算法具有更直观快速的信号输出。在系统开始运行的时候“P”、“I”、“D”都会起作用，所以开始产生非常强的超标现象，输出信号呈直线上升，然后慢慢降在标准区域附近一直震荡，震荡幅值越来越小，最终使飞行器达到平稳飞行。

PID算法具有直观快速的信号输出能力，在系统开始运行的时候“P”、“I”、“D”都认为系统存在问题，并产生强烈的控制“欲望”，所以信号输出产了生较强的超调现象。信号输出呈直线上升趋势，然后慢慢降在标准区域附近反复震荡，随时间变化震荡幅值逐渐减小。PID控制参数的选择是利用经验法决定的，将控制器的参数预先设定成一个经验数据，然后观察系统的输出过程，如果不能达到预想的效果，则按照程序改变控制器的参数，不断修改参数直至四旋翼飞行器的飞行效果达到预期的稳定状态。

2 结语

本系统的PID参数选择方法是先比例，后积分微分法，即在纯比例作用下，先对比例系数进行调整，使整个系统达到稳定的要求，再利用积分控制减小误差，以提高系统的准确性，最后再加微分的作用，用来提高系统的控制质量，以达到利用PID控制来调整系统的稳