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5.12 飞行控制——PID参数优化

news 2025/5/24 2:39:10

文章目录

- 5.12 飞行控制——PID参数优化
- - 5.12.1 XY轴角度系统P参数优化
  - - （1）软件设计
    - （2）运行与调试
  - 5.12.2 Z轴角度系统P参数优化
  - 5.12.3 Z轴位置系统P参数优化
  - 5.12.4 XY轴位置系统P参数优化

总目录：http://t.csdnimg.cn/YDe8m

5.12 飞行控制——PID参数优化

在“5.9.8”小节提到过，使用Matlab自带的优化求解函数“lsqnonlin”函数，可以进行PID控制器参数的优化。但由于方法较为“粗暴”，当求解参数过多、系统过于复杂、离散时间数过大时常会出现死机、求解出错等问题。一个解决的方法就是分步进行PID参数的优化，并且只对P参数进行优化，其它参数设置为0，保证每次只对2~3个参数进行优化。
本小节共有四个例程，依次对XY轴角度系统P参数、Z轴角度系统P参数、Z轴位置系统P参数、XY轴位置系统P参数进行了优化，最后得到了完整可用的四旋翼串级PID控制器的控制参数。

5.12.1 XY轴角度系统P参数优化

首先对XY轴角度环PID、角速度环PID的P参数进行优化，由于XY轴参数经常是相同的，故最终只优化两个参数即可。

（1）软件设计

本小节例程位于“2、飞控例程\Matlab\（5）飞行控制——PID参数优化\A1_XY轴角度系统系统P参数优化”中。
例程中的文件如图5.11.2所示，主要增加了“A3_aXY_Angle_better_main.mlx”、“A3_aXY_Angle_better_run.m”、“A3_aXY_Angle_plot.m”等文件。

A3_aXY_Angle_better_main.mlx 文件

clear all;
close all;
clc;%% X、Y轴角度系统 P参数优化
K_pid0=[1 100];LB=[0 0];       %x、y轴角度环、角速度环PID P参数
UB=[10 1500];K_pid=lsqnonlin('A3_aXY_Angle_better_run',K_pid0,LB,UB);%输出优化后PID参数到Excel
K_pid = K_pid * 0.8;        %缩小到80%，防止震荡init = 0;
A2_init;
s_pid.K_pid(1:4, 1:3) = zeros(4, 3);
s_pid.K_pid(1:2, 1) =  K_pid'; 
s_pid.K_pid(3:4, 1) =  K_pid'; data_o = round(s_pid.K_pid, 3);   %四舍五入为3位小数
xlswrite('输出_PID参数.xlsx', data_o, 1, 'C2:E7');%% 使用优化后的PID参数 仿真并绘图
A3_aXY_Angle_plot(K_pid);         %优化PID参数 仿真并绘图

行7~10
设置角度环、角速度环PID中P参数的初值、下限、上限。
行12
运行优化函数，得到最优的P参数，保存在“K_pid”变量中
行14
为了适应之后位置环PID、线速度环PID的控制，这里对优化后参数进行80%的缩小。
行17~21
初始化系统，主要是使用“A2_init”读取“输入_系统参数.xlsx”文件中角度系统相关PID参数，其后将优化后的P参数保存在“s_pid.K_pid”变量对应位置。
行23~24
将优化后的PID参数四舍五入为3位小数，并保存到“输出_PID参数.xlsx”文件中，保存的位置如图5.12.1所示：

在这里插入图片描述

图 5.12.1

行27
调用“A3_aXY_Angle_plot”函数，使用优化后的参数进行四旋翼系统仿真，并绘制曲线图。

A3_aXY_Angle_better_run.m 文件
该文件以“A1_main.mlx”文件为基础进行修改，只是在开关与结尾增加了一些内容。该函数的输入，为要优化的P参数，输出为第时刻X、Y轴角速度、角度期望与测量的误差。

function [Run_e] = A3_Pid_better_run(K_pid)
% PID控制系统运行函数% 输入：
%   K_pid   使用的PID的参数
%
% 输出
%   Run_e   各时刻 期望与系统输出的误差%% 初始化系统参数
init = 0;
A2_init;
s_pid.K_pid(1:4, 1:3) = zeros(4, 3);
s_pid.K_pid(1:2, 1) =  K_pid'; 
s_pid.K_pid(3:4, 1) =  K_pid'; %% 仿真
init = 1;   %已初始化完毕
for i = 1:(Num)% 串级PID控制C_Cascade_PID;% 动态系统响应M_Motor;    %电机s_A.u = s_mot.M_xyz;          %赋值角度系统输入M_Angle;                  %四旋翼角度系统s_P.u(1:3, 1) = s_mot.F_xyz;  %赋值位置系统输入s_P.u(4, 1) = s_P.g;M_Position;               %四旋翼位置系统%保存电机模型输入输出数据s_History.u_all(i, :) = s_mot.u_all';s_History.F_xyz(i, :) = s_mot.F_xyz';s_History.M_xyz(i, :) = s_mot.M_xyz';%保存角度系统输出数据s_History.ya(i, :) = s_A.y.*180/pi;  %角度，单位（deg） %保存位置系统输出数据s_History.yp(i, :) = s_P.y;  %位置，单位（m） 
end%% 函数输出
Ax_e = abs(s_pid.d(1)*180/pi - s_History.ya(:, 1)); 
Wx_e = abs(s_pid.d(2)*180/pi - s_History.ya(:, 2)); 
Ay_e = abs(s_pid.d(3)*180/pi - s_History.ya(:, 3)); 
Wy_e = abs(s_pid.d(4)*180/pi - s_History.ya(:, 4)); Run_e = [Ax_e 0.1*Wx_e Ay_e 0.1*Wy_e];end

行11~15
初始化系统，并将XY角度环、角速度环PID参数归零，之后再将其P值赋值为函数的输入。
行17~43
系统仿真，与“A1_main.mlx”相同。
行46~52
函数输出XY各时刻角度与角速度的误差，优化的过程就是不断尝试新的P参数以使输出的误差最小。

A3_aXY_Angle_plot.m 文件
该函数也修改自“A1_main.mlx”文件。只是仿真时使用的是优化后的P参数。

function [] = A3_aXY_Angle_plot(K_pid)
% PID控制系统运行函数% 输入：
%   K_pid   使用的PID的参数
%
%% 初始化系统参数
init = 0;
A2_init;s_pid.K_pid(1:4, 1:3) = zeros(4, 3);
s_pid.K_pid(1:2, 1) =  K_pid'; 
s_pid.K_pid(3:4, 1) =  K_pid'; %% 仿真
init = 1;   %已初始化完毕
for i = 1:(Num)% 串级PID控制C_Cascade_PID;% 动态系统响应M_Motor;    %电机s_A.u = s_mot.M_xyz;          %赋值角度系统输入M_Angle;                  %四旋翼角度系统s_P.u(1:3, 1) = s_mot.F_xyz;  %赋值位置系统输入s_P.u(4, 1) = s_P.g;M_Position;               %四旋翼位置系统%保存电机模型输入输出数据s_History.u_all(i, :) = s_mot.u_all';s_History.F_xyz(i, :) = s_mot.F_xyz';s_History.M_xyz(i, :) = s_mot.M_xyz';%保存角度系统输出数据s_History.ya(i, :) = s_A.y.*180/pi;  %角度，单位（deg） %保存位置系统输出数据s_History.yp(i, :) = s_P.y;  %位置，单位（m） 
end%% 函数输出% 绘图
P_plot_all;end

行8~13
初始化系统，并将XY角度环、角速度环PID参数归零，之后再将其P值赋值为函数的输入。

（2）运行与调试

双击进入“A3_aXY_Angle_better_main”文件，点击上方“实时编辑器”中的“运行”按钮即可运行例程。运行结果如图5.11.3所示。
在这里插入图片描述

（a）
在这里插入图片描述

（b）
在这里插入图片描述

（c）

图 5.12.2

同时优化后的PID参数保存在“输出_PID参数.xlsx”文件中。将优化后的PID参数复制到“输入_系统参数.xlsx”文件对应位置，即可使用“A1_main.mxl”文件进行仿真。

5.12.2 Z轴角度系统P参数优化

其原理与5.12.1小节相似，只是将优化的参数换为了z轴角度系统串级PID的P参数。
本小节例程位于“2、飞控例程\Matlab\（5）飞行控制——PID参数优化\A2_Z轴角度系统系统P参数优化”中。
主要增加了“A3_bZ_Angle_better_main.mlx”、“A3_bZ_Angle_better_run.m”、“A3_bZ_Angle_plot.m”等文件，其具体原理不同赘述。
双击进入“A3_bZ_Angle_better_main.mlx”文件，点击上方“实时编辑器”中的“运行”按钮即可运行例程。运行结果如图5.11.3所示。
在这里插入图片描述

（a）
在这里插入图片描述

（b）
在这里插入图片描述

（c）

图 5.12.3

然后，将优化后的PID参数从“输出_PID参数.xlsx”文件，复制到“输入_系统参数.xlsx”文件对应位置进行保存。

5.12.3 Z轴位置系统P参数优化

本小节例程位于“2、飞控例程\Matlab\（5）飞行控制——PID参数优化\A3_Z轴位置系统系统P参数优化”中。功能是优化z轴位置系统串级PID的P参数
主要增加了“A3_cZ_Position_better_main.mlx”、“A3_cZ_Position_better_run.m”、“A3_cZ_Position_plot.m”等文件，其具体原理不同赘述。
双击进入“A3_cZ_Position_better_main.mlx”文件，点击上方“实时编辑器”中的“运行”按钮即可运行例程。运行结果如图5.11.4所示。
在这里插入图片描述

（a）
在这里插入图片描述

（b）
在这里插入图片描述

（c）

图 5.12.4

然后，将优化后的PID参数从“输出_PID参数.xlsx”文件，复制到“输入_系统参数.xlsx”文件对应位置进行保存。

5.12.4 XY轴位置系统P参数优化

本小节例程位于“2、飞控例程\Matlab\（5）飞行控制——PID参数优化\A4_XY轴位置系统系统P参数优化”中。功能是优化z轴位置系统串级PID的P参数
主要增加了“A3_dXY_Position_better_main.mlx”、“A3_dXY_Position_better_run.m”、“A3_dXY_Position_plot.m”等文件，其具体原理不同赘述。
双击进入“A3_dXY_Position_better_main.mlx”文件，点击上方“实时编辑器”中的“运行”按钮即可运行例程。运行结果如图5.11.5所示。
在这里插入图片描述