CN105739300B - 应用于应急指挥无人机姿态控制的新型pid控制方法 - Google Patents

应用于应急指挥无人机姿态控制的新型pid控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法，本发明能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。

Description

应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法
技术领域
本发明涉及防灾减灾技术领域，特别是涉及一种应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法。
背景技术
我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，各种气象灾害、地质灾害和水火灾害等频繁发生。对社会的稳定，经济的发展，人民群众生命财产安全构成严重威胁。为最大限度地减少各类灾害事故带来的危害和损失，确保社会稳定和群众安全，迫切需要建立有效的灾害应急指挥管理系统。然而，海啸、地震、火山、飓风、山洪、泥石流、火灾等灾害往往具有突发性，且受灾现场信息量巨大，灾前预警分析、疏散抢救受灾群众、调集分配救灾物资等工作刻不容缓，救灾领导组需要在最短的时间内做出最正确的决策，对信息的处理能力和反应速度具有很高要求。如何使救灾指挥人员在第一时间获得最全面、最可靠、最直观的灾害现场信息，就成为了救灾减灾研究工作的重中之重。
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。具有速度快、视野广、不惧怕恶劣自然环境的优点，搭载智能视频探测装置的无人机，可以轻松的飞临受灾区域上空，拍摄现场画面，采集环境信息，及时准确的获取救灾应急指挥所需的信息。
宏观展现受灾区域的地形地貌、道路、物资、基础设施、救援设备、救灾人员、受灾群众的宏观位置、状态和数量等信息。使救灾指挥人员能够在第一时间直观地看到实时传输的灾害现场动态画面，及时预测灾害现场态势演变，从而科学地部署救灾力量，有效地进行救灾应急指挥调度。该系统具有方便直观、数据集成度高、指挥通信方便的特点。
PID控制是自动化控制领域内一种经典的控制方法，具有算法简单、操作简单、不依赖数学模型的特点。中小型无人机，尤其四旋翼无人机的姿态控制中普遍采用了PID控制算法。传统PID控制器的结构是比例、积分、微分环节的线性组合。大量的实践表明,比例、积分、微分三个环节线性组合时，对控制系统产生的影响互相耦合，各环节的作用强度难以平衡，常引起快速性和超调量之间的矛盾。而积分分离、积分限幅、变速积分、不完全微分算法等改进算法，都没有对传统PID控制算法公式的结构进行改动，而仅仅能够在某个单一问题的解决中发挥作用。此外，无人机姿态控制被控对象存在惯性大、非线性、强干扰等特性,用一组事先整定的PID参数实施控制难以达到很好的控制效果, 尤其是出现较强的外部扰动时，控制性能急剧下降，影响无人机姿态控制的稳定性和航拍画面的质量。
经过大量的分析研究表明，如果能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID 控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。
基于以上背景，本发明提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供本发明提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法，在比例环节、积分环节、微分环节之前设置可变增益，使比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD在偏差e(n)的绝对值较小时取较大值,在偏差e(n)的绝对值较大时取较小值，
引入变量其中Crange＝Cmax-Cmin，Cmax 为被控变量量程上限值，Cmin 为被控变量量程下限值，|e(n)|—偏差的绝对值。在调节过程中，该变量将随偏差绝对值的增大而减小，随偏差绝对值的减小而增大，变化范围为0～1。利用该变量可以构造比例、积分、微分环节的可变增益。可变增益PID控制器输出控制量的计算公式为：
u(n)＝αKP[e(n)-e(n-1)]+βKIe(n)+λKD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u(n-1)
其中：
。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，其既可以指代某一部件与另一部件直接连接，也可以指代某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
经过大量的分析研究表明，如果能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID 控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。
基于以上背景，本发明提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法。
在积分系数前设置一可变系数，使积分项的合成系数能够随着偏差绝对值的减小而增大，从而保持积分项的积分作用不会随偏差的减小而降低，从而提高控制器消除偏差的能力。积分作用的加强将会造成系统稳定性的下降，根据前面对比例、积分、微分系数变化对控制系统性能影响的分析，在一定范围内增大比例系数和微分系数，可以起到增强系统稳定性的作用。因此，如果在增大积分作用的同时，适当增强比例及微分作用，就可以同时加强系统消除余差的能力及稳定性。
以非线性形式组合比例、积分、微分环节的基本方法为：
在比例环节、积分环节、微分环节之前设置可变增益，使比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD在偏差e(n)的绝对值较小时取较大值,在偏差e(n)的绝对值较大时取较小值。
引入变量其中Crange＝Cmax-Cmin，Cmax 为被控变量量程上限值，Cmin 为被控变量量程下限值，|e(n)|—偏差的绝对值。在调节过程中，该变量将随偏差绝对值的增大而减小，随偏差绝对值的减小而增大，变化范围为0～1。利用该变量可以构造比例、积分、微分环节的可变增益。可变增益PID控制器输出控制量的计算公式为：
u(n)＝αKP[e(n)-e(n-1)]+βKIe(n)+λKD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u(n-1)其中：
。
可变增益α的值将随偏差绝对值|e(n)|的增大而减小，随偏差绝对值|e(n)|的减小而增大，变化范围为0～1。比例环节产生的控制作用总是与被控变量的改变方向相反，在比例系数前设置可变增益α的作用为：在调节起始阶段，削弱比例控制作用，增加调节速度；在调节过程中，逐渐加强比例项的控制作用，避免出现较大超调。
可变增益β的值将随偏差绝对值|e(n)|的增大而减小，随偏差绝对值|e(n)|的减小而增大，变化范围为1～2。积分环节具有消除静差的作用，在积分系数前设置可变增益β的作用为：在调节过程的起始阶段，偏差值|e(n)|较大，较小的积分系数可以使调节过程平稳，避免出现较大超调量；随着调节过程的继续，偏差值|e(n)|逐渐减小，较大的积分系数可以增强控制器消除余差的能力，缩短调节时间。
变增益γ的值将随偏差绝对值|e(n)|的增大而减小，随偏差绝对值|e(n)|的减小而增大，变化范围为0～1。微分项具有超前控制的作用，可以提前预测偏差值的变化趋势并提前输出控制量抑制偏差值的改变趋势。在微分系数前设置可变增益γ的作用为：在调节起始瞬间，偏差值出现阶跃变化，为使调节稳定，避免微分饱和，不引入微分作用；随着调节过程的继续，被控变量逐步接近目标值时，逐渐增强微分作用，抑制超调保证被控变量的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法，其特征在于，在比例环节、积分环节、微分环节之前设置可变增益，使比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD在偏差e(n)的绝对值较小时取较大值,在偏差e(n)的绝对值较大时取较小值，
引入变量其中Crange＝Cmax-Cmin，Cmax为被控变量量程上限值，Cmin为被控变量量程下限值，|e(n)|—偏差的绝对值；在调节过程中，该变量将随偏差绝对值的增大而减小，随偏差绝对值的减小而增大，变化范围为0～1；利用该变量可以构造比例、积分、微分环节的可变增益；可变增益PID控制器输出控制量的计算公式为：
u(n)＝αKP[e(n)-e(n-1)]+βKIe(n)+λKD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u(n-1)
其中：
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