055、角度环与角速度环的串级PID实现
飞控算法从入门到精通 · 055 · 角度环与角速度环的串级PID实现
从一次炸机说起
去年夏天，我在调试一架自组四轴时遇到一个诡异现象：悬停时飞机像喝醉了酒，轻微晃动后突然朝一个方向猛偏，然后翻倒。地面站日志显示角度误差只有2度，但角速度却飙到了800度/秒。当时我用的还是单级PID——直接拿角度误差算油门差量。后来才明白，那根本不是PID参数没调好，而是控制结构本身就有缺陷。
单级PID的问题在于：它试图用一个控制器同时处理“角度偏差”和“角速度变化”两个不同时间尺度的物理量。角度变化慢，角速度变化快，两者混在一起，参数永远顾此失彼。串级PID把这两个环拆开，外环算角度，内环算角速度，各管各的，这才是飞控该有的样子。
串级PID的结构拆解
串级PID的核心就一句话：外环的输出是内环的期望值。
具体到飞控的姿态控制：
- 角度环（外环）：输入是期望角度和当前角度，输出是期望角速度。这个环的更新频率可以慢一些，比如100Hz到200Hz。
- 角速度环（内环）：输入是角度环给的期望角速度和陀螺仪实测角速度，输出是电机控制量（油门差量）。这个环必须快，至少400Hz以上，最好能到1kHz。
为什么内环要快？因为角速度是角度的微分，变化剧烈。如果内环更新太慢，外环算出来的期望角速度还没执行到位，角度已经跑偏了，整个系统就会振荡。