为什么需要串级PID控制（结合智能小车，四轴飞行器来解释）

先说四轴飞行器

四轴飞行器中串级PID控制是由角度环与角速度环一起控制的

可以这么简单的理解：

角度环可以可以保证飞机按期望的角度飞行，单环控制时，具有很好的自稳性。但是打舵的时候跟随性就不够完美。可能会出现滞后，失衡的现象。

角速度环可以使飞机尽可能的快速的达到期望值。（将角度环的期望值与角速度环的测量值进行PID控制；角速度是由陀螺仪测出来的，测量值一般不容易受到干扰并且角速度变化的也是比较快的，加快了反应速度）

为什么要引入角速度环？

我们发现，虽然可以用PWM使得电机的转速与输入值成正比，但是飞行器螺旋桨的转速与升力是不成正比关系的。而引入角速度环就是为了改善这个问题

这一点在小一点的四轴的起飞过程中会很好的体现出来（这里想说的意思是小飞机重量较轻，操纵起来更加的灵敏），由于飞行器螺旋桨的转速与升力是不成正比关系的，就拿起飞的过程来说：我们遥控器的油门摇杆的增量与飞行器升力是不成正比关系，所以我们想让飞机停留在一个比较稳定的高度是比较难的。

会出现要油门低时飞不起来，油门高一些会逐渐升高。我们把情况考虑的复杂一些：即使有这么一点，可以使飞行器悬停，随着飞行器电池电压逐渐降低，电机转速下降，飞机也会逐渐下降。那么翻滚，俯仰的控制就更不方便了

回到原题，有了这个角速度闭环，就可以让飞行姿态快速的跟踪期望姿态，从而对升力起到一定的控制；至于有多快，还是要看电机模型和PID参数，但是一定比之前开环控制的效果要好。也就是实时的根据期望姿态迅速调整电机输出。

我们通俗一点来讲，为什么这里理解起来比较困难，其实是角度与角速度控制不明白。

那么我们现在用类比的方法来解释：

以小车到达指定地点为例

小车从A点到B点的过程，调用单级的PID控制，误差：e=x2-x0。

误差e经过PID算法得到输出小车给定速度v

小车给定速度v输入到电机后，对电机输出的转速v^进行积分，获得一段路程，即小车的当前位置x1；

此时的误差为e=x2-x1（注意不再是e=x2-x0了）

选取一组合适的PID参数，我们就可以很好的实现这个任务。根据不同的要求，我们可以找到不同的PID参数以实现快速收敛控制，或者无超调控制。

但是在斜坡的路面，这样单级PID控制的表现就不是那么好了。

原因是在对电机转速v^进行积分时存在误差

v恒等于v^吗？换言之，我叫小车电机以v的速度运行，他会立刻响应并保持在这一速度吗？答案显然否定的

我们实际供给电机的是电压，一定的电压对应一定的转速v,然而电机转速v不是关于电压的单值函数，电机转速v受到很多条件的影响，鉴于电机模型复杂且对于不同种类的电机模型也不尽相似，我们只讨论其中的另一个主要变量：负载转矩。当小车启动制动，走上坡道都会造成负载转矩的变化，从而进一步影响电机转速v。

要解决这个问题就需要对电机Motors环节做一个转速闭环控制：就是将电机转速v^与给定的小车速度v进行PID控制

有了这个闭环，就可以让电机的实际转速v'快速的跟踪给定速度v，至于有多快，还是要看电机模型和PID参数，但是一定比之前开环控制的效果要好。这样就可以改善这个问题（注意是改善，不是解决！）

类比的话，这里小车的位置环相当于无人机的角度环；

而，小车之后又在电机上的转速闭环控制相当于无人机的角速度环。都是使电机的输入理论值与实际的作用效果之间进行误差反馈控制（简而言之：对于小车就是输入电机转速与轮上实际速度之间不断PID控制；对于四轴飞行器而言就是输入电机转速与实际姿态之间不断PID控制）

这样是不是就可以理解无人机的角速度控制环了

最终实现内环先稳定，外环后稳定的效果

参考博文【串级PID】浅谈串级PID作用及意义——快速理解串级PID结构优势（附图）_ReadAir的博客-CSDN博客_串级pid