多旋翼无人机

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本文作者:李德强
          第二节 串级反馈控制
 
 

       普通单环反馈控制是在被控对象与期望值之间产生误差之后,将误差反馈给控制器,再由控制重新计算并做出相应的控制调整,重新向被控对象进行输出控制。也就是说这种控制系统只能是再系统出现误差之后才会重新起到控制作用,对于抗扰动性较差,不能很好的对扰动进行预测和预先调整。

       为了解决普通单环反馈控制不能快速感知扰动对系统影响的问题,我们引入串级控制系统思想。串级控制是采用另外一个测量单元,并加入另外一个反馈回路形成第二个闭环来快速的感知和克服系统扰动。这个额外引入的测量单元需要比原有测量单元更敏感,更能快速的感知到系统的扰动。这样才能在被控对象出现较大误差之前,快速的修正误差保持稳态。如下图所示:

       其中主测量单元与主控制器组成一个闭合回路,由于这个回路是在外侧,因此也称为外环回路,简称外环;副测量单元和副控制器组成了另一个闭合回路,因其在内侧,也称为内环回路,简称内环。外环和内环都有各自不同的输入和输出,也具有不同的控制方法。但是系统的期望值只会与主测量结果一同输入给外环主控制器,外环主控制器的输出与副测量结果一同作输入给内环副控制器。而副控制器的输出会最终影响执行器的执行结果。

       在无人机的控制系统中为了尽快感知和克服干扰,也采用了串级控制系统。在姿态控制当中,采用“角度-角速度”双环串级反馈控制方法来达到稳定的姿态。其中:

       主测量单元:用于测量无人机系统中当前的姿态角。实际上,姿态角来源于姿态解算结果中的最优估计值。

       主控制器:姿态角控制器,控制方法为比例控制(P),其输入为姿态角的误差,即姿态角期望减去当前姿态角,姿态角控制器的输出结果是角速度期望。

       副测量单元:用于测量无人机系统中当前的角速度。无人机的角速度值也是由状态估计得到其最优估计值。

       副控制器:角速度控制器,控制方法为比例-积分-微分控制(PID),其输入为角速度误差,即角速度期望减去当前角速度,角速度控制器的输出结果为电动机的控制量。

       由于角速度的变化比角度要快,直接对角速度进行控制要优于直接对角度控制,因此在无人机的姿态控制中,采用的双环串级反馈控制外环控制角度,内环控制角速度。

       当无人机在飞行过程中出现轻微扰动,当其姿态角还没有发生变化时,主控制器没有办法预知系统的角度误差,因此不能进行快速控制,但是副控制器的测量单元可以快速感知到角速度的变化,可以快速反馈给副控制器,副控制器针对角速度的误差进行PID控制得到输出,交给执行器,执行器使无人机快速消除误差,保持稳态。

       我们再来考虑另一种主动控制情况,在主控制器得到一个期望姿态角度时,姿态期望减去主测量单元的测量值得到主控制器的输入误差,主控控制器通过P控制得到角速度期望,此时角速度期望减去副测量单元的测量值得到角速度误差,并将此误差输入给副控制器,副控制器通过PID控制得到输出,交给执行器,执行器使无人机快速消除角速度误差,使得无人机在期望的姿态角状态下保持稳定。

       由于内环回路的存在,控制系统的控制精度和响应速度大大提高了,因而串级控制系统比单环反馈控制系统的控制效果有很大的提升。需要注意的是,内环控制的物理量应该比外环控制的物理量更加敏感,更加快速。例如,无人机的位置控制也是采用的串级反馈控制方法。为了对无人机的位置达到有效的控制,并且能够快速感知和消除扰动,将位置控制作为外环主控制器,而将速度控制作为内环副控制器,因为速度比位置变化更敏感,更快速。

       同样的,对无人机的控制除了“位置-速度”控制环和“角度-角速度”控制环之外,为了提高无人机的控制精度还可以加速对电动机的“转速-电流”控制环。但是处于成本和控制复杂度,多数的无人机控制系统中并没有电动机的“转速-电流”控制环,而只有“位置-速度”控制环和“角度-角速度”控制环。但是对于无人机的控制来说已经可以满足绝大多数使用者的需求了。

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