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文章目录
- 前言
- 一、调试思路讲解
- 二、实际调试方法
- 总结
前言
本次选用的是X型四轴来调试，配置采用的是飞越的650碳纤机架，电调用的是好赢的奔腾40A,电机同样是新西达2212 1000kV，主控是基于STM32F407芯片的商用飞控。首先，将四轴无人机安装在单轴平衡平台上，然后执行以下步骤：
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姿态角稳定性检验：将四轴平衡在特定的角度（称为目标角度）。然后，观察四轴无人机是否能够保持在目标角度附近，即使存在轻微的扰动。这个步骤有助于确定PID控制器的P（比例）、I（积分）和D（微分）参数的初始值。
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姿态角响应性检验：通过向四轴无人机发送新的目标角度命令（可能在不同的轴上），检验四轴无人机是否能够立即调整到新的目标角度，而不会有明显的延迟或偏差。
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姿态角操纵性检验：由操纵员通过手持控制器发送各种姿态角命令，然后观察四轴无人机的响应。这个步骤有助于确定四轴无人机的操纵性能，即对操纵员的操作是否具有响应性和精确性。
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PID参数调整：根据实验结果和观察，逐步调整PID控制器的参数，直到达到所需的性能指标为止。这个过程可能需要进行多次实验和调整，但最终目标是实现稳定性、响应性和操纵性的良好平衡。
一、调试思路讲解
首先调整一个轴的平衡，然后再调整另一个轴，最后调整YAW轴。 开始时，我只调整P，将I和D置零。由于不知道PID的合适范围，我就随便给了一组值：P=1，I=0，D=0，并观察现象。但是一旦启动电机，四轴就开始剧烈左右摇摆，很明显P给大了。然后我减小P值，从P=0.1开始尝试。在调试过程中，我发现一个现象：当四轴向一边歪，离平衡的0度有一个角度A的偏差时，P=0.1时A很大。这时，除非油门推得很大，否则四轴根本就起不来。这说明P设置得太小了。我又尝试了P=0.2，但四轴的状态没有明显改善。于是，我直接将P加大到0.8。此时，虽然可以看到等幅震荡，但四轴仍然不在0度的平衡位置，而是有一个角度B的偏离。此时，B的值较小。之后，我继续增大P至1，四轴的震荡又变大了，但仍然存在于0度静态平衡位置的静差。由于此时I=0，我决定先不理会这个静差，而是先找到P的临界震荡点。当P=0.8时，我可以观察到比较明显的等幅震荡，但当P=0.2时，四轴显得无力。因此，我得出结论P应该在0.2到0.8之间。临界震荡点是指P从不震荡到刚开始震荡的点。
在此提醒一点，当P设定值太小时，四轴在大倾斜的情况下受到重力和P的影响会产生震荡。这种震荡不是等幅的，也不是对称的。波谷的幅度比波峰大，且距离0度平衡点较远。需要注意区分这种情况。
我将P从0.2到0.8尝试，并找到一个适合的点，即出现刚开始出现震荡的P值。最终我选定P=0.5。但要注意，尽管我调整了P值，仍然存在静态差。
在以上过程中，我一直试图通过P来消除静态差。但是我发现，当我将P调到很大时，四轴的震荡变得非常剧烈，且震荡的中心不在0度位置。因此，我只能先选定P和D，然后加入I来解决这个问题。
当我将P设定为0.5时，四轴在稳定位置的震荡减小了，但在外力干扰下仍然很难保持稳定，抗扰能力较差。然后我开始调整D值。
在平衡过程中，P相当于四轴的回复力，它力图让四轴保持在一个稳定的平衡位置，但这个位置不一定是我们期望的位置。我认为，当偏差不再变化时，PID的输出也不会变化。因此，光使用P时，稳定的位置不一定是我们期望的平衡位置。而D则是阻尼力，它在四轴有速度时才会发挥作用，始终抑制运动。因此，它可以抑制震荡，但同时也会抑制P的作用。当震荡产生时，四轴在震荡的中心点上的速度最大，这也是D作用最强的时刻。
在调整D的过程中，我犯了一个错误。因为我更改了D的标准型，而D应该是抑制运动的，但是陀螺仪的输出数据符号使得D的作用与预期相反。因此，一开始无论我怎么调整D，都会引发震荡。后来，我在参数前加了一个负号，问题就解决了。在这里我提醒，要注意D是阻尼力，是抑制运动的作用，它始终希望作用对象没有运动。至于停在何处，不是D所关心的，这是P和I所关心的。因此，当直接使用陀螺仪数据代替偏差差时，需要注意。修正这个问题后，加入D的效果就很明显了，四轴在外力干扰下有明显的回复力，能够快速稳定在平衡点。调整D就是试错的过程，当然D过大也会引发震荡。但是此时不加D时，光有P作用时的震荡就很小。很明显，随着D的增加，震荡减小又增加。最后，我选定了P=0.4和D=0.15。
当我最后确定了P和D值后，我的四轴依然存在静态偏差，不能稳定在期望的0点。在网上，有很多四轴只使用PD，但考虑到我的实际情况，我决定加入I。
调整I时，我先去掉了积分限制。然后我逐渐增大I，当我调整平衡时，随着油门的增加，静态偏差应该逐渐减小。我将油门推到差不多将四轴推离地面的位置，观察I能否消除静态偏差。因为如果油门给得太小，静态偏差较大，虽然调整出来的I能够消除静态偏差，但I值较大，在增加油门时可能会产生过调震荡。最终，我需要一个I能够消除静态偏差又不会产生过调震荡的值。我认为这个值应该尽可能小。最后，我再加上合适的积分限制。
最终，我确定的PID参数是：P=0.4，I=0.35，D=0.15。
二、实际调试方法
调试步骤始终是先调平衡杆，开始调X轴时，我以为X轴和十字型的调试方法类似，所以我只是简单地将原有PID参数按照新的程序的PWM值域缩放了一下倍数，但是效果不佳，PID控制器没有起到作用。
具体情况是，四轴一开机就直接向一边倒，无法停在平衡位置，而是倒到一个很大的角度（大约70度左右），接着电机力量突然加大，四轴立起，然后又反向倒向另一边，进入了失控的大幅震荡。由于一开始就倒向一边，我意识到P可能设定得过小了。于是我开始逐渐增大P值，但是即便将P调得很大，四轴依然会倒向一边，然后电机力量增大，四轴反向倒向另一边，开始发散性的震荡。我发现，当P设定得比较小时，四轴受到电机惯性的影响，会开始震荡。而当P调得较大时，四轴会直接进入震荡状态。我始终无法观察到等幅震荡或者接近小幅震荡的状态。不管P值是大还是小，四轴都会进入失控的发散震荡状态。与十字型飞行器不同的是，这个X轴飞行器的情况并不稳定。甚至连相对稳定的等幅震荡状态都无法观察到，而是直接进入发散的震荡状态。
后面经人提醒，在确定P值时，应该将把手放开，观察四轴开始震荡的情况。只要四轴左右晃动几次，就能达到大幅度的晃动，大概在45度左右。确定了这个P值之后，就可以加入D，而且D有可能比P值大。在这个基础上，我又开始了调试。
再次从头开始调整P值时，我观察到了一个新的现象。我将四轴稍微倾斜几度，比如说向左。当P值较小时，启动电机后松开手，四轴会向左倾斜。如果P值较大，则四轴会向右倾斜。前者表示补偿不足，后者表示补偿过度。在这两个P值的区间内，我们需要找到合适的P值，即能在平衡位置稍微晃动几下的值。此时我的P值为3.0，但光靠P值四轴仍然无法站稳，只能在平衡位置坚持1到2秒。因此需要加入D值。我尝试了D值为1、2和3时，没有明显效果，只能观察到起初的短时平衡性略有改善。当D值为10时，可以明显观察到平衡的时间延长了，但仍会倾斜。当D值为20时，可以明显观察到四轴基本平衡了，但仍有小幅震荡，当有干扰时四轴也不能很快恢复平衡，说明D值有一定效果但太大了。在这种情况下，P值仍然偏小，回复力不足。我将D值定为25，然后开始调节P值，加大P值，增强恢复力。在调节过程中，我感觉到P值会产生一种名为A的震荡，这种A震荡是会发散的，频率较低。而D值会产生另一种名为B的震荡，B是等幅的，频率较高。然后P值会抑制震荡B，但会激发震荡A。D值会抑制震荡A，但会激发震荡B。调节参数的最终目的是调整好P值后再调整D值，将两个参数互相支持，使它们趋近一个最佳点。想单靠一个参数一次就接近理想值是不可能的。当然，机体表现出的等幅震荡也不一定是因为D值过大，P值不合适同样会产生此种情况。另外，在调节参数时，不要一味只加不减。当我P值为4，D值为50时，我将P值稍微减小一点，才取得了更好的效果。最后，在离开平衡杆时，我的P值为3.5，D值为50。此次调试中没有静态误差，因此没有I项。
总结
以下是我个人的总结：
1、调节PID控制器首先要理解最基本的PID三项意义：P是回复力，即系统平衡的主力；D是阻尼力，一直是抑制作用；I虽然能使系统回复但是I大了容易激发震荡，所以I只能是辅助P。
2、一般从P开始调节时候首先要找到临界震荡点，要学会辨识系统临界震荡点的特点。不同系统的临界状态可能不同，在这一点上用曲线代替肉眼直接观察效果好的多。
3、P不一定就比D大，切不可经验主义，一切遵循实际，多尝试可能性。
4、调节PID最麻烦的就是会产生震荡。只要参数不合适都会产生震荡。初学者往往心急不知如何下手，其实是不同参数不合适而产生的震荡都有所区别，要细心观察。最好能看PID输出、被调量、设定值三者的曲线图。通过图来对比特征曲线得出震荡产生的原因。更多关于曲线特征判别方面的内容，请参阅附件中的篇文献。
5、调节参数是个让人头疼的活，一定要心平气和，切莫急躁，多尝试。我认为一个平静的心态在调PID时非常重要，能让你头脑清醒地看清问题。调节参数是个枯燥的活动。如果你很烦或者很着急，调不出来只会让你更加烦躁、更迷糊。还有就是耐心、多试。刚开始不知道大致范围时参数尝试变化范围可以大一点。确定范围后就要耐心地一点点加。
6、以上所言都是针对位置式PID控制器。增量式PID控制器的三组参数所起作用与位置式大相径庭，不可套用。
7、多与人交流，在这里再次感谢指导我的诸多网友。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-859159.html
8、调节PID最好能看曲线图，判别特征曲线，用曲线来看特征比直接看物体表现好得多。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-859159.html
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