BetaFlight代码解析（5）— PID控制器

本文档解释了 Betaflight 中的 PID（比例-积分-微分）控制器，它是维持飞行器稳定性和响应性的核心飞行控制算法。有关如何调整 PID 设置的信息，请参阅本维基其他章节中的配置指南。

概述

PID 控制器持续计算期望飞行器姿态（设定值）与陀螺仪测量姿态之间的误差值，然后对电机施加校正动作以最小化该误差。Betaflight 的实现超越了基本的 PID 控制，还包含前馈、动态 D 项限制、反重力等高级功能。

PID控制回路架构

PID组件

Betaflight 中的 PID 控制器处理四个主要参数：

1. P项（比例项）：对偏离设定值的情况立即做出反应
2. I 项（积分）：随时间累积误差以消除稳态误差。
3. D 项（导数）：对误差变化率做出响应，提供阻尼作用。
4. F 项（前馈）：直接响应设定值的变化，提高响应能力

默认PID值

Betaflight 包含适用于大多数中型四轴飞行器的默认 PID 值：

轴	P	我	D	F
卷	45	80	30	120
沥青	47	84	34	125
偏航	45	80	0	120

PID 数据结构

Betaflight PID 控制器使用以下几个关键数据结构：

高级PID功能

Betaflight 在基本 PID 控制的基础上增加了几个高级功能：

iTerm Relax

减少快速摇杆移动期间的 I 项累积，以防止过冲和回弹。由iterm_relax（模式）和iterm_relax_type（基于陀螺仪或设定点）控制。

D-Max（动态 D 限制）

根据设定值和陀螺仪速率动态调整 D 项，以便在需要时（如在螺旋桨滑流期间）提供额外的 D 值，而不会持续产生较高的 D 值。

TPA（节气门PID衰减）

在较高的油门位置降低 PID 增益（通常是 D 项），以补偿增加的电机功率和振动。

前馈

它能在误差出现之前对摇杆动作做出快速响应，从而提高摇杆的灵敏度。其工作原理是监测设定值的变化率。

PID控制器生命周期

PID配置文件管理

Betaflight支持多个PID配置文件，这些配置文件可以存储并在运行过程中切换：

调试 PID 性能

Betaflight 提供多种调试模式，用于分析 PID 控制器性能：

调试模式	描述
调试_PID循环	显示PID回路的时序和性能
调试反重力	显示出反重力激活和效应
DEBUG_D_MAX	显示D-Max活性和效应
DEBUG_ITERM_RELAX	显示 iTerm 松弛活动
调试_ACRO_TRAINER	显示杂技教练介入
DEBUG_RC_SMOOTHING	显示RC输入平滑效果

PID控制器配置参数

下表总结了PID控制器的主要参数：

范围	目的	默认	范围
pidSumLimit	横滚/俯仰的最大PID总和	500	100-1000
pidSumLimitYaw	偏航角最大PID总和	400	100-1000
终端启动	iTerm 停止运行预防	80	0-100
iterm_rotation	随着四边形旋转，iTerm 也随之旋转。	离开	开/关
iterm_relax	快速移动时减少 iTerm	RP	关闭/RP/RPY/RP_INC/RPY_INC
d_max	最大 D 增益	40/46/0	0-100
反重力增益	反重力效应强度	80	0-250
前馈转换	靠近中杆的FF减少	0	0-100

与其他系统的交互

概括

PID控制器是Betaflight飞行控制系统的核心，负责将飞行员的输入转化为稳定的飞行。它结合了传统的PID控制理论和众多针对飞行特性的增强功能，从而兼顾了稳定性和响应速度。了解PID控制器的组成部分和特性对于有效的飞行调优和优化至关重要。