CN117742136B - 一种基于pid的飞行器自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID的飞行器自动控制方法，属于自动控制技术领域，本发明中在速度差均值大于正阈值时，采用升速控制模型对速度进行控制，在速度差均值小于负阈值时，采用降速控制模型对速度进行控制，实现速度的快速调整，减少速度调整时间，在速度差均值快速调整到正阈值和负阈值之间时，采用比例PID控制模型对速度进行控制，实现对飞行器的稳定控制，增强飞行器的稳定性。

Description

一种基于PID的飞行器自动控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种基于PID的飞行器自动控制方法。

背景技术

在四轴飞行器的控制过程中，通常采用PID模型对四轴飞行器的飞行速度进行控制。但是，PID模型包括三个可调系数，分别为比例系数、积分系数和微分系数，三个可调系数决定PID模型是否能进入收敛状态，若PID模型进入了发散状态，则会导致飞行速度紊乱。例如，在比例项系数设置过小时，当飞行器受到微风的影响而发生倾斜时，向回调整的速度会比较慢。另一方面，如果比例项参数设置过大，会导致系统越界，即超过设定的角度或速度，这通常被称为“超调”。在这种情况下，飞行器会产生过度反应，导致飞行器变得不稳定，甚至可能引起震荡。

现有直接采用PID模型对四轴飞行器的飞行速度进行控制，存在两方面的问题：第一方面，PID模型进入收敛状态需要时间，因此，直接采用PID模型对四轴飞行器的飞行速度进行控制，PID模型的收敛时间会较长，导致实时速度达到目标速度需要的时间长；第二方面，PID模型的三个可调系数难以寻找到最优值，在三个可调系数存在偏差时，飞行器容易不稳定。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于PID的飞行器自动控制方法解决了现有直接采用PID模型对四轴飞行器的飞行速度进行控制，存在速度调整时间长和飞行器容易不稳定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于PID的飞行器自动控制方法，包括以下步骤：

S1、根据四轴飞行器每个轴的目标速度和实时速度，得到速度差；

S2、在速度差均值大于正阈值时，则采用升速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S3、在速度差均值小于负阈值时，则采用降速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S4、在速度差均值位于正阈值和负阈值之间时，则采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制。

本发明的有益效果为：本发明中在速度差均值大于正阈值时，采用升速控制模型对速度进行控制，在速度差均值小于负阈值时，采用降速控制模型对速度进行控制，实现速度的快速调整，减少速度调整时间，在速度差均值快速调整到正阈值和负阈值之间时，采用比例PID控制模型对速度进行控制，实现对飞行器的稳定控制，增强飞行器的稳定性。

进一步地，所述S2中升速控制模型为：

，

其中，u_up,k为第k次升速控制过程的执行量，u_up,k-1为第k-1次升速控制过程的执行量，△u_up,k为第k次升速控制过程的调整量。

进一步地，所述第k次升速控制过程的调整量△u_up,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_up,k为第k次升速控制过程的补偿量。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中通过3个时刻的速度差，计算出速度差均值，根据速度差均值的情况计算出调整量△u_up,k，在速度差均值越大时，速度差均值系数越大，使得升速控制模型灵敏度更高，调整速度更快，同时，本发明设置了补偿量C_up,k进一步增加调节速度的幅度，使得速度尽快落入正阈值和负阈值之间，减少速度调整时间。

进一步地，所述第k次升速控制过程的补偿量C_up,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中初始速度差均值E_o是固定的，速度差均值E_t是时变的，在升速过程中，速度差均值E_t初期较大，初始速度差均值E_o系数较大，导致升速控制模型调整速度更快上升，在后期速度差均值E_t越来越小，初始速度差均值E_o系数/>越来越小，升速控制模型调整速度的幅度变小，使得速度落入正阈值和负阈值之间。

进一步地，所述S3中降速控制模型为：

，

其中，u_down,k为第k次降速控制过程的执行量，u_down,k-1为第k-1次降速控制过程的执行量，△u_down,k为第k次降速控制过程的调整量。

进一步地，所述第k次降速控制过程的调整量△u_down,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_down,k为第k次降速控制过程的补偿量。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中通过3个时刻的速度差，计算出速度差均值，根据速度差均值的情况计算出调整量△u_down,k，在速度差均值的绝对值越大时（即速度差均值负得越多），速度差均值系数的绝对值越大（即速度差均值系数负得越多），使得降速控制模型灵敏度更高，调整速度更快，同时，本发明设置了补偿量C_down,k进一步增加调节速度的幅度，使得速度尽快落入正阈值和负阈值之间，减少速度调整时间。

进一步地，所述第k次降速控制过程的补偿量C_down,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值，| |为绝对值运算。

上述进一步地方案的有益效果为：在设定一个目标速度后的控制过程中，本发明中初始速度差均值E_o是固定的，速度差均值E_t是时变的，在降速过程中，速度差均值E_t的绝对值初期较大，初始速度差均值E_o系数较大，导致降速控制模型调整速度更快下降，在后期速度差均值E_t的绝对值越来越小，初始速度差均值E_o系数/>越来越小，降速控制模型调整速度的幅度变小，使得速度落入正阈值和负阈值之间。

进一步地，所述S4中比例PID控制模型包括：第一PID控制单元、第二PID控制单元、第三PID控制单元和比例单元；

所述第一PID控制单元用于根据速度差均值，计算第一执行量；

所述第二PID控制单元用于根据速度差均值，计算第二执行量；

所述第三PID控制单元用于根据速度差均值，计算第三执行量；

所述比例单元用于根据第一执行量、第二执行量和第三执行量，计算比例执行量。

进一步地，所述第一PID控制单元、第二PID控制单元和第三PID控制单元的表达式均为：

，

其中，y_t为第一PID控制单元、第二PID控制单元或第三PID控制单元的执行量，K_P为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，E_t为第t时刻的速度差均值，E_m为第m时刻的速度差均值，E_t-1为第t-1时刻的速度差均值，t和m为时刻的编号，三个PID控制单元的比例系数K_P均不同，三个PID控制单元的积分系数K_I均不同，三个PID控制单元的微分系数K_D均不同；

所述比例单元的表达式为：

，

其中，u_t为比例单元第t时刻输出的比例执行量，α为第一执行量y_1t的权重系数，β为第二执行量y_2t的权重系数，γ为第三执行量y_3t的权重系数。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中三个PID控制单元的三种系数均不同，相当于本发明的飞行器设置了三种PID模型，每种PID模型对速度差均值的反馈情况不同，如果设置一个PID模型，则需要去找到最优的比例系数、积分系数和微分系数，但是PID模型的比例系数、积分系数和微分系数通常是根据经验或实验试出，是相对优的选择，因此，在遇到特殊环境下，PID模型还是容易发散，本发明中选择了三种PID模型，为了解决飞行器控制不稳定的问题，本发明设置了比例单元，对三种PID模型进行按比例获取，减少同一PID模型带来的不稳定性，三种PID模型的选择，使得飞行器控制更稳定，减少飞行控制紊乱的可能性。

进一步地，所述权重系数α、β和γ的获取过程包括以下步骤：

A1、设定权重系数α初值为1、β初值为1和γ初值为1；

A2、统计比例PID控制模型的实际收敛时间，其中，实际收敛时间为进入步骤S4后，采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制，直到达到目标速度的时间；

A3、判断实际收敛时间是否小于目标时间，若是，则结束，若否，则跳转至步骤A4；

A4、根据实际收敛时间，调整权重系数α、β或γ，并跳转至步骤A2；

所述调整权重系数α、β或γ的公式为：

，

其中，w为调整后的权重系数α、β或γ，T为实际收敛时间，T_o为目标时间，exp为以自然常数为底的指数函数。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中在比例PID控制模型的实际收敛时间大于目标时间时，可对权重系数α、β和γ任一，或其中两个，或三个进行调整，降低某种PID模型带来的不稳定，本发明实际收敛时间越长，说明现有权重系数α、β或γ的值越不合理，对现有权重系数α、β或γ的值调整越大，实现对PID模型的灵活选择，提高飞行器飞行的稳定性。

附图说明

图1为一种基于PID的飞行器自动控制方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于PID的飞行器自动控制方法，包括以下步骤：

S1、根据四轴飞行器每个轴的目标速度和实时速度，得到速度差；

S2、在速度差均值大于正阈值时，则采用升速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S3、在速度差均值小于负阈值时，则采用降速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S4、在速度差均值位于正阈值和负阈值之间时，则采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制。

在本发明中，速度差=目标速度-实时速度，在速度差均值大于正阈值时，实时速度过小，在速度差均值小于负阈值时，实时速度过大。

在本发明中，正阈值和负阈值根据经验设定。

所述S2中升速控制模型为：

，

其中，u_up,k为第k次升速控制过程的执行量，u_up,k-1为第k-1次升速控制过程的执行量，△u_up,k为第k次升速控制过程的调整量。

所述第k次升速控制过程的调整量△u_up,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_up,k为第k次升速控制过程的补偿量。

本发明中通过3个时刻的速度差，计算出速度差均值，根据速度差均值的情况计算出调整量△u_up,k，在速度差均值越大时，速度差均值系数越大，使得升速控制模型灵敏度更高，调整速度更快，同时，本发明设置了补偿量C_up,k进一步增加调节速度的幅度，使得速度尽快落入正阈值和负阈值之间，减少速度调整时间。

本发明中为了规避其他因素对于速度差的影响，尽可能减少误差，因此，统计了三个时刻的速度差。

所述第k次升速控制过程的补偿量C_up,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值。

本发明中初始速度差均值E_o是固定的，速度差均值E_t是时变的，在升速过程中，速度差均值E_t初期较大，初始速度差均值E_o系数较大，导致升速控制模型调整速度更快上升，在后期速度差均值E_t越来越小，初始速度差均值E_o系数/>越来越小，升速控制模型调整速度的幅度变小，使得速度落入正阈值和负阈值之间。

所述S3中降速控制模型为：

，

其中，u_down,k为第k次降速控制过程的执行量，u_down,k-1为第k-1次降速控制过程的执行量，△u_down,k为第k次降速控制过程的调整量。

在本发明中，k、m和t是用于标记顺序的编号。

所述第k次降速控制过程的调整量△u_down,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_down,k为第k次降速控制过程的补偿量。

本发明中通过3个时刻的速度差，计算出速度差均值，根据速度差均值的情况计算出调整量△u_down,k，在速度差均值的绝对值越大时（即速度差均值负得越多），速度差均值系数的绝对值越大（即速度差均值系数负得越多），使得降速控制模型灵敏度更高，调整速度更快，同时，本发明设置了补偿量C_down,k进一步增加调节速度的幅度，使得速度尽快落入正阈值和负阈值之间，减少速度调整时间。在本发明中，在降速过程中，速度差均值系数为负数，速度差均值也为负数，因此，调整量为正数。

所述第k次降速控制过程的补偿量C_down,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值，| |为绝对值运算。

在设定一个目标速度后的控制过程中，本发明中初始速度差均值E_o是固定的，速度差均值E_t是时变的，在降速过程中，速度差均值E_t的绝对值初期较大，初始速度差均值E_o系数较大，导致降速控制模型调整速度更快下降，在后期速度差均值E_t的绝对值越来越小，初始速度差均值E_o系数/>越来越小，降速控制模型调整速度的幅度变小，使得速度落入正阈值和负阈值之间。

在步骤S3中，速度差均值E_t和初始速度差均值E_o同为负数。

所述S4中比例PID控制模型包括：第一PID控制单元、第二PID控制单元、第三PID控制单元和比例单元；

所述第一PID控制单元用于根据速度差均值，计算第一执行量；

所述第二PID控制单元用于根据速度差均值，计算第二执行量；

所述第三PID控制单元用于根据速度差均值，计算第三执行量；

所述比例单元用于根据第一执行量、第二执行量和第三执行量，计算比例执行量。

所述第一PID控制单元、第二PID控制单元和第三PID控制单元的表达式均为：

，

其中，y_t为第一PID控制单元、第二PID控制单元或第三PID控制单元的执行量，K_P为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，E_t为第t时刻的速度差均值，E_m为第m时刻的速度差均值，E_t-1为第t-1时刻的速度差均值，t和m为时刻的编号，三个PID控制单元的比例系数K_P均不同，三个PID控制单元的积分系数K_I均不同，三个PID控制单元的微分系数K_D均不同；

在本实施例中，三个PID控制单元的比例系数、积分系数和微分系数根据经验或实验进行设定。

所述比例单元的表达式为：

，

其中，u_t为比例单元第t时刻输出的比例执行量，α为第一执行量y_1t的权重系数，β为第二执行量y_2t的权重系数，γ为第三执行量y_3t的权重系数。

本发明中三个PID控制单元的三种系数均不同，相当于本发明的飞行器设置了三种PID模型，每种PID模型对速度差均值的反馈情况不同，如果设置一个PID模型，则需要去找到最优的比例系数、积分系数和微分系数，但是PID模型的比例系数、积分系数和微分系数通常是根据经验或实验试出，是相对优的选择，因此，在遇到特殊环境下，PID模型还是容易发散，为了解决飞行器控制不稳定的问题，本发明中选择了三种PID模型，还设置了比例单元，对三种PID模型进行按比例获取，减少同一PID模型带来的不稳定性，三种PID模型的选择，使得飞行器控制更稳定，减少飞行控制紊乱的可能性。

所述权重系数α、β和γ的获取过程包括以下步骤：

A1、设定权重系数α初值为1、β初值为1和γ初值为1；

A2、统计比例PID控制模型的实际收敛时间，其中，实际收敛时间为进入步骤S4后，采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制，直到达到目标速度的时间；

本发明的方法为对每个轴进行控制，因此，实际收敛时间一个轴达到目标速度的时间，同时，达到目标速度是指，实时速度非常逼近目标速度，即两者相差较小；

A3、判断实际收敛时间是否小于目标时间，若是，则结束，若否，则跳转至步骤A4；

在步骤A3中，实际收敛时间小于目标时间时，当前的权重系数为合适的；

A4、根据实际收敛时间，调整权重系数α、β或γ，并跳转至步骤A2；

在调整权重系数后，采用新的比例PID控制模型进行速度调整，统计收敛时间。

本发明中在比例PID控制模型的实际收敛时间大于目标时间时，可对权重系数α、β和γ任一，或其中两个，或三个进行调整，降低某种PID模型带来的不稳定，本发明实际收敛时间越长，说明现有权重系数α、β或γ的值越不合理，对现有权重系数α、β或γ的值调整越大，实现对PID模型的灵活选择，提高飞行器飞行的稳定性。

在本实施例中，调整权重系数α、β或γ的公式为：

，

其中，w为调整后的权重系数α、β或γ，T为实际收敛时间，T_o为目标时间，exp为以自然常数为底的指数函数。

本发明中在速度差均值大于正阈值时，采用升速控制模型对速度进行控制，在速度差均值小于负阈值时，采用降速控制模型对速度进行控制，实现速度的快速调整，减少速度调整时间，在速度差均值快速调整到正阈值和负阈值之间时，采用比例PID控制模型对速度进行控制，实现对飞行器的稳定控制，增强飞行器的稳定性。

本发明中通过设置升速控制模型和降速控制模型减少速度调整的时间，使得快速进入PID调节过程，而PID调节的速度范围小，因此，需要的收敛时间更少。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于PID的飞行器自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据四轴飞行器每个轴的目标速度和实时速度，得到速度差；

S2、在速度差均值大于正阈值时，则采用升速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S3、在速度差均值小于负阈值时，则采用降速控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

S4、在速度差均值位于正阈值和负阈值之间时，则采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制；

所述S2中升速控制模型为：

，

其中，u_up,k为第k次升速控制过程的执行量，u_up,k-1为第k-1次升速控制过程的执行量，△u_up,k为第k次升速控制过程的调整量；

所述第k次升速控制过程的调整量△u_up,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_up,k为第k次升速控制过程的补偿量；

所述第k次升速控制过程的补偿量C_up,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值；

所述S3中降速控制模型为：

，

其中，u_down,k为第k次降速控制过程的执行量，u_down,k-1为第k-1次降速控制过程的执行量，△u_down,k为第k次降速控制过程的调整量；

所述第k次降速控制过程的调整量△u_down,k的表达式为：

，

，

其中，E_t为第t时刻的速度差均值，e_t为第t时刻的速度差，e_t-1为第t-1时刻的速度差，e_t-2为第t-2时刻的速度差，arctan为反正切函数，C_down,k为第k次降速控制过程的补偿量；

所述第k次降速控制过程的补偿量C_down,k的表达式为：

，

其中，arccot为反余切函数，exp为以自然常数为底的指数函数，E_o为初始速度差均值，E_t为第t时刻的速度差均值，| |为绝对值运算。

2.根据权利要求1所述的基于PID的飞行器自动控制方法，其特征在于，所述S4中比例PID控制模型包括：第一PID控制单元、第二PID控制单元、第三PID控制单元和比例单元；

所述第一PID控制单元用于根据速度差均值，计算第一执行量；

所述第二PID控制单元用于根据速度差均值，计算第二执行量；

所述第三PID控制单元用于根据速度差均值，计算第三执行量；

所述比例单元用于根据第一执行量、第二执行量和第三执行量，计算比例执行量。

3.根据权利要求2所述的基于PID的飞行器自动控制方法，其特征在于，所述第一PID控制单元、第二PID控制单元和第三PID控制单元的表达式均为：

，

其中，y_t为第一PID控制单元、第二PID控制单元或第三PID控制单元的执行量，K_P为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，E_t为第t时刻的速度差均值，E_m为第m时刻的速度差均值，E_t-1为第t-1时刻的速度差均值，t和m为时刻的编号，三个PID控制单元的比例系数K_P均不同，三个PID控制单元的积分系数K_I均不同，三个PID控制单元的微分系数K_D均不同；

所述比例单元的表达式为：

，

其中，u_t为比例单元第t时刻输出的比例执行量，α为第一执行量y_1t的权重系数，β为第二执行量y_2t的权重系数，γ为第三执行量y_3t的权重系数。

4.根据权利要求3所述的基于PID的飞行器自动控制方法，其特征在于，所述权重系数α、β和γ的获取过程包括以下步骤：

A1、设定权重系数α初值为1、β初值为1和γ初值为1；

A2、统计比例PID控制模型的实际收敛时间，其中，实际收敛时间为进入步骤S4后，采用比例PID控制模型对四轴飞行器每个轴进行控制，直到达到目标速度的时间；

A3、判断实际收敛时间是否小于目标时间，若是，则结束，若否，则跳转至步骤A4；

A4、根据实际收敛时间，调整权重系数α、β或γ，并跳转至步骤A2；

所述A4中调整权重系数α、β或γ的公式为：

，

其中，w为调整后的权重系数α、β或γ，T为实际收敛时间，T_o为目标时间，exp为以自然常数为底的指数函数。