PID控制器是一種線性控制器，它主要根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，然后利用偏差給出合理的控制量，目前，人們通過(guò)科學(xué)研究獲得了諸多具有優(yōu)異控制效果的算法和理論，但在工程應(yīng)用領(lǐng)域，基于經(jīng)典PID的控制算法仍然是最簡(jiǎn)單、最有效的控制方案。目前主流的幾款開源飛控中，無(wú)一例外地都是采用PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和軌跡控制。

那么PID控制器算法能解決什么問(wèn)題呢？以多旋翼為例，在沒(méi)有控制系統(tǒng)的情況下，直接用信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制力，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)太快，或者太慢，或者控制過(guò)沖或者不足的現(xiàn)象，多旋翼根本無(wú)法順利完成起飛和懸停動(dòng)作。為了解決這些問(wèn)題，就需要在控制系統(tǒng)回路中加入PID控制器算法。在姿態(tài)信息和螺旋槳轉(zhuǎn)速之間建立比例、積分和微分的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)大小，使多旋翼系統(tǒng)控制達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、既不過(guò)沖、也不欠缺的現(xiàn)象。

下面我們簡(jiǎn)單的舉個(gè)例子讓大家了解一下PID的作用，我們先以一個(gè)自動(dòng)駕駛的小車來(lái)舉例子，為什么用小車呢而不用多旋翼來(lái)舉例子呢？因?yàn)橛眯≤嚺e例，可以看到小車的行進(jìn)軌跡，根據(jù)軌跡我們可以很直觀的看到PID對(duì)控制的影響，便于理解PID的作用。

我們先講P，比例控制?，F(xiàn)在我們想讓這個(gè)小車沿著綠線向前走，我們給P設(shè)置一個(gè)固定的值，這個(gè)值可以讓離開綠線的小車向綠線的方向行駛，離的越遠(yuǎn)，方向盤打的角度越大，離的越近，方向盤打的角度越小。橙色的箭頭表示小車行進(jìn)的方向

比如這個(gè)小車在這個(gè)位置，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)中等大小的P值，想要沿著綠線走，在比例控制下路徑是這樣的，因?yàn)樾≤囉幸欢ǖ乃俣?，到達(dá)綠線時(shí)因?yàn)閼T性的原因又向前運(yùn)動(dòng)了，然后再根據(jù)中等P值向回打方向盤，當(dāng)?shù)竭_(dá)綠線時(shí)，同樣因?yàn)閼T性的原因沖過(guò)了頭，因?yàn)樾≤囋浇咏G線，方向盤打的越小，所以小車每經(jīng)過(guò)一次綠線，它的偏差就越來(lái)越小，所以隨著小車多次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就能離綠線越來(lái)越近，理論上最終能夠行駛在綠線上面。

如果我們把P值設(shè)置的比較大，它的路徑是這樣的，因?yàn)榉较虮P打的角度比較大，所以小車比中等P值的時(shí)候較早的到達(dá)綠線，但同樣因?yàn)閼T性的原因會(huì)多次往返綠線的兩側(cè)，也是一次比一次接近綠線，因?yàn)樗较虮P角度打的比較大，所以會(huì)比中等P值往返的次數(shù)要多，最終經(jīng)過(guò)多次往返，理論上它會(huì)離綠線越來(lái)越近，最終到達(dá)綠線上方。

如果我們把P值設(shè)置的比較小，也就是方向盤打的角度比較小，它的路徑是這樣的，小車會(huì)較晚到達(dá)綠線，因?yàn)閼T性會(huì)往返綠線兩側(cè)，但是因?yàn)榉较虮P角度小，小車可以在較少的往復(fù)次數(shù)下接近綠線。

所以我們對(duì)比一下設(shè)置這三種P值的結(jié)果，在小車與綠線相同距離的情況下，P值越大，小車的反應(yīng)越快，P值越小，小車的反應(yīng)越慢，所以這三個(gè)小車第一次到達(dá)綠線的時(shí)間是不一樣的。雖然P值大能夠較快的到達(dá)綠線，但是反應(yīng)比較劇烈，總是因?yàn)檫^(guò)快沖過(guò)了頭。相反P值小的反應(yīng)比較平緩，但是它反應(yīng)太慢，我們有時(shí)候接受不了。

什么樣的P值是合理的呢，就是設(shè)置后，小車的反應(yīng)不是很劇烈，反應(yīng)時(shí)間你也能夠接受，那這就是一個(gè)相對(duì)合理的P值。

那有沒(méi)有一種辦法讓它反應(yīng)再快一點(diǎn)，反應(yīng)又不那么劇烈呢，那就要用到接下來(lái)我們要講的微分控制了。

我們?yōu)榱瞬蛔屵@個(gè)小車沖過(guò)頭，我們?cè)俳o它加一個(gè)力，這個(gè)力就是D，讓這個(gè)力來(lái)起一個(gè)作用，就是讓小車越接近綠線的時(shí)候，接近綠線的速度越慢，小車越遠(yuǎn)離綠線的時(shí)候，接近綠線的速度相對(duì)較快，這個(gè)接近綠線的速度不是小車前進(jìn)的速度，是小車與綠線平行線之間的相對(duì)速度。這個(gè)D大家可以理解為小車靠近綠線的一個(gè)阻力。

假設(shè)我們?cè)O(shè)置了一個(gè)相對(duì)合理的P值，在P值不變的情況下，微分控制中D值的變化會(huì)有怎樣的結(jié)果。比如我們?cè)O(shè)置了一個(gè)比較合適的D值，微分控制(D)讓小車在靠近綠線時(shí)，接近綠線的速度比較慢，這樣比例控制（P）就可以很輕松的讓小車到達(dá)綠線上方行駛。

如果D值過(guò)大，也就是小車靠近綠線的阻力過(guò)大，這樣會(huì)讓小車需要比較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)綠線上方。

如果D值設(shè)置的過(guò)小，也就是小車靠近綠線的阻力過(guò)小，那微分控制(D)就不會(huì)對(duì)比例控制產(chǎn)生大的影響，所以雖然小車能夠較快到達(dá)綠線，但小車需要多調(diào)整幾次，在綠線的兩側(cè)往復(fù)幾次后才能到達(dá)綠線上方行駛。

那這樣看來(lái)比例控制（P）和微分控制（D）的配合，貌似已經(jīng)很完美了。為什么還要有積分控制（I）呢？

設(shè)置合適的P值和D值，可以讓小車很好的沿著綠線一直走，但路上不是很平坦，會(huì)有些坑坑包包，或者其他的一些干擾，路況不好就會(huì)讓小車的行進(jìn)路線發(fā)生偏移，比如小車在這里遇到了坑坑包包，它的行進(jìn)路線就會(huì)變成這樣，稍微偏離了綠線一點(diǎn)，因?yàn)槲⒎挚刂疲―）讓小車離綠線越近時(shí)，靠近綠線的速度越慢，比例控制（P）讓小車在接近綠線時(shí)，方向盤又打的比較小，所以小車要走一段路才回到綠線上面。

有沒(méi)有辦法讓它更快回到綠線上面呢，所以我們?cè)俳o它加一個(gè)力，這個(gè)力就是I，積分控制。我們讓積分控制起這樣的作用：如果P和D的調(diào)節(jié)不是很理想的話，就讓I幫他倆一把，向P的方向上加一個(gè)力，這樣可以讓小車更快回到目的路徑。

設(shè)置了I以后，I會(huì)根據(jù)誤差和誤差經(jīng)歷的時(shí)間進(jìn)行積分，然后決定施加給目標(biāo)方向的力的大小，就能夠讓小車回到目標(biāo)軌跡上。

一個(gè)合適的I值，可以讓小車偏離軌跡后，I可以在合適的時(shí)間給P一個(gè)合適的力，讓小車快速的回到綠線上面；

如果I值過(guò)大，積分控制（I）調(diào)整的力就會(huì)比較大，它在幫P的時(shí)候會(huì)用力過(guò)猛，會(huì)讓小車沖過(guò)綠線，下次幫忙的時(shí)候還是用力過(guò)猛，P表示很無(wú)奈，畢竟I也是好心，經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整后，小車終于回到綠線上面，但我們看小車的軌跡線產(chǎn)生了一定的振蕩；

如果I值過(guò)小，積分控制（I）調(diào)整的力就會(huì)比較小，就像有一個(gè)手無(wú)縛雞之力的柔弱小鮮肉一樣，幫不上太大的忙，所以小車回到正確軌跡的時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)。

說(shuō)完了PID控制對(duì)小車的影響，下面我們?cè)僬f(shuō)說(shuō)PID控制對(duì)多旋翼的影響。比如這架多旋翼想要作的是保持機(jī)身的水平平穩(wěn)。

我們先從P開始，如果P值設(shè)置的過(guò)大，哪怕機(jī)身有那么一丁點(diǎn)傾斜，飛行器都會(huì)用稍大一些的力去調(diào)整，結(jié)果用力過(guò)猛，又繼續(xù)向回調(diào)整，這樣飛行器就會(huì)頻繁的調(diào)整自己的水平狀態(tài)，導(dǎo)至機(jī)身產(chǎn)生振動(dòng)。

如果P值設(shè)置的過(guò)小，飛行器的水平調(diào)整就會(huì)顯得力不從心，比如空氣中的微風(fēng)讓飛行器發(fā)生了傾斜，飛行器向回調(diào)整的力比較小，所以需要長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間才能調(diào)平，這樣讓我們覺(jué)得它反應(yīng)有點(diǎn)慢。

比如我們經(jīng)過(guò)多次測(cè)試設(shè)置了一個(gè)比較合適的P值，可以讓飛行器有一個(gè)我們能接受的反應(yīng)時(shí)間，但稍有一點(diǎn)過(guò)沖，會(huì)有一些震蕩，接下來(lái)再設(shè)置D值，讓D值消除震蕩，如果D值設(shè)置過(guò)大，會(huì)讓飛行器恢復(fù)平衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，反應(yīng)變慢，

如果設(shè)置了一個(gè)過(guò)小的D值，會(huì)導(dǎo)致效果不明顯，飛行器還是會(huì)有震蕩。

比如我們又設(shè)置了一個(gè)合適的D值，可以讓飛行器反應(yīng)不是很慢，也不會(huì)有明顯的震蕩。接下來(lái)我們?cè)僭O(shè)置一下I值。這里的I我們可以這么理解，I根據(jù)飛行器的反應(yīng)時(shí)間，適當(dāng)?shù)膸兔?，如果飛行器反應(yīng)慢了，他就會(huì)幫一下，能讓它的反應(yīng)快一點(diǎn)。但是如果值設(shè)置的過(guò)大，這個(gè)幫忙可能會(huì)用力過(guò)猛，導(dǎo)致過(guò)沖。

如果I值設(shè)置過(guò)小，它的幫忙就沒(méi)有太大的作用，還是不會(huì)讓飛行器反應(yīng)更快。所以設(shè)置一個(gè)合適的I值需要多次的測(cè)試，讓它的幫忙起作用，又不會(huì)用力過(guò)猛。有些人怕麻煩就不設(shè)置I值了，其實(shí)也沒(méi)有太大的影響，只不過(guò)離完美還差那么一點(diǎn)。

PID的設(shè)置是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于一般的使用者來(lái)說(shuō)是非常難的。所以有些廠商也想出了一些辦法。

比如3DR的開源飛控APM和PIXHWAK，咱們看它的調(diào)參軟件中，PID部分有這么多要調(diào)的地方，對(duì)于一般的用戶來(lái)說(shuō)是比較有難度的，所以它加了一個(gè)自動(dòng)調(diào)參的功能，就是這個(gè)AutoTune，可以把遙控器上的一個(gè)開關(guān)設(shè)置成自動(dòng)調(diào)參，找一片開闊地讓飛行器起飛，然后把遙控器上的自動(dòng)調(diào)參開關(guān)打開，飛控就開始自己控制飛行器進(jìn)行飛行測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試情況自動(dòng)設(shè)置一個(gè)比較合適的PID參數(shù)。

有些廠商作的就更簡(jiǎn)單了，直接在調(diào)參軟件里加了一個(gè)感度的配置，這個(gè)感度大家可以理解為敏感度 ，數(shù)值越大，敏感度越高，不同的軸距都有不同的推薦感度設(shè)置。

左面的這個(gè)是大疆NAZA飛控的調(diào)參軟件，調(diào)參軟件說(shuō)明書里就有一個(gè)不同軸距的推薦感度值，右面的拓攻更簡(jiǎn)單，直接選擇軸距，就能自動(dòng)設(shè)置推薦的感度值。

這些廠商的調(diào)參軟件里一般都會(huì)有姿態(tài)感度和基本感度，或者叫穩(wěn)定感度。姿態(tài)感度是指飛行器對(duì)遙控指令的敏感程度，基本感度或穩(wěn)定感度是指飛行器對(duì)于外界干擾反應(yīng)的敏感程度。這樣就比PID理解起來(lái)要簡(jiǎn)單的多了。

審核編輯：湯梓紅