PID richtig einstellen

PID´s richtig einstellen

Quelle:

Einstellen der PID-Regler

Dies erfordert etwas Zeit und Geduld, mal eben in 3 Akkus einstellen ist nicht. Windstille ist auf jeden Fall von Vorteil.

Als erstes setzt man alle Reglerparameter auf null, was einem Ausschalten der Regler gleichkommt. Nacheinander stellt man die P, D und I Parameter ein. Am besten notiert man sich die maximalen Werte, welche bei den Tests ermittelt werden. Diese Werte dürfen nie überschritten werden. Die ermittelten Werte sind eine Basis für weitere Optimierungen.

Hinweis: Jeder Regler hat einen Punkt an dem er optimal arbeitet. Dieser Punkt wird als Arbeitspunkt bezeichnet. Den Arbeitspunkt müss man ebenfalls erreichen. Im Normalfall müss man also mindestens so viel Schub geben, dass der Copter schweben kann.

Wenn der Copter halbwegs symmetrisch (von oben gesehen) aufgebaut ist, kann man die Roll- und Pitch-Werte der Regler gleichsetzen.
Der Yaw-Regler muss separat eingestellt werden, am besten zum Schluss wenn die Roll- und Pitch-Regler passen. Der Yaw-Regler wird mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit andere Werte benötigen, als Pitch und Roll!

Zur Erinnerung

Pitch-Achse: Der Copter kippt nach vorne bzw. hinten, deswegen auch Nickachse genannt.
Roll-Achse: Der Copter kippt nach links bzw. rechts.
Yaw-Achse: Der Copter dreht sich von oben gesehen im bzw. gegen den Uhrzeigersinn.

Bei einem symetrischen Copter kann man Roll und Pitch gleichzeitig einstellen.

Erst P, dann D und evtl. I.
Danach den Yaw-Regler genauso einstellen.

Ermittlung P-Anteil und was passiert bei falsch eingestellten Werten

Der P-Regler, bei manchen Copter auch Gain-Wert genannt, ist der wichtigste Regler des Flugmodells. Wie der Name vermuten lässt, erfolgt die Regelung proportional zu den Sensordaten. Betrachten Sie zum besseren Verständnis das folgende Modell.

Ist der P-Wert zu gering, kann der Copter keine stabile Fluglage halten, da der Regler nicht stark genug eingreift. Der Copter fliegt instabil.

Ist der P-Wert zu hoch, oszilliert/wobbelt der Copter, da die Motoren bei kleinen Lageänderungen maximal gegensteuern. Im Extremfall schalten die Motoren zwischen Stillstand und maximaler Drehzahl viele Male pro Sekunde hin und her. Der Copter ist auch hier instabil und nicht mehr steuerbar. Ein Absturz ist die Folge.

Um einen guten P-Wert zu ermitteln, erhöht man diesen schrittweise, bis der Copter anfängt zu oszillieren. Danach setzt man diesen Wert auf etwa 50%. Der Copter wird dann auf Fluglageänderungen entsprechend stark reagieren. Stell den P-Wert lieber zu niedrig ein, als zu hoch. Ein zu hoher P-Wert (=oszillieren) führt zum Absturz. Mit zu niedrig eingestelltem P-Regler kann man meistens noch halbwegs landen.

Ermittlung D-Anteil und was passiert bei falsch eingestellten Werten

Das D bedeutet “derivative”, was auf Deutsch “Ableitung” bedeutet. Je stärker die Signalveränderung, umso stärker greift dieser Regler ein. Der Signalwert spielt keine Rolle, sondern nur die Veränderungsgeschwindigkeit.
Der D-Wert ist für schnelle Korrekturen notwendig, z.B. eine Windböe. Der Copter wird dadurch schnell gedreht. Der P-Regler wird jedoch erst bei größeren Auslenkungen genügend Leistung freisetzen um den Copter wieder zurück zu drehen. Der D-Regler reagiert nur auf Änderungen der Sensordaten. Je schneller sich die Sensordaten verändern, um so stärker greift dieser Regler ein.

Zur Veranschaulichung betrachten wir wieder die Grafik. Stellt man sich den D-Regler als flexible Stange (gelb in der Animation) mit einem kleinen Gewicht (grüner Punkt in der Animation) am Ende vor. Neigt sich das Modell nach links, spricht der Regler an und verringert die Motorleistung des rechten Motors. Behaltet man das kleine Gewicht an der Skala im Auge. Der D-Wert des Reglers entspricht der Stärke der Veränderung.

Erhöht man den D-Wert schrittweise, bis der Copter anfängt schnell und mit kleiner Amplitude zu oszillieren. In diesem Moment ist die Verstärkung zu hoch und es werden auch Störsignale verstärkt. Am Motorengeräusch kann man vereinzelt eine Art „Zwitschern“ heraushören. Dies kostet viel Akkuenergie und verringert die Flugzeit drastisch.

Nun setzt man den D-Wert auf 50% des ermittelten Grenzwertes.

Ermittlung I-Anteil und was passiert bei falsch eingestellten Werten

Das "I" kommt von "Integral" und bedeutet schlicht das Aufsummieren des Sensorsignals über die Zeit.

Der I-Regler verändert die Motorleistung kontinuierlich in Abhängigkeit des Auslenkwinkels und der Zeit. Der I-Anteil ist für Korrekturen notwendig, bei denen, trotz optimal eingestellter P und D Regler, das Flugmodell nicht gerade in der Luft schwebt. Typisch hierfür ist sind ein nicht optimaler Schwerpunkt der Drohne oder aerodynamische Einflüsse bei schnellen Flügen.

Um die Wirkung dieses Reglers zu veranschaulichen, betrachtet man wieder unser Modell. Der I-Regler wird durch das kleine grüne Gewicht (links neben dem rechten Motor) über der Skala dargestellt. Dieses Gewicht kann auf der Skala gleiten. Wenn das Modell z.B. aufgrund eines Zusatzgewichtes unten am rechten Motor sich nach rechts neigt, würde bei dem P und D-Regler eine bleibende Schieflage bestehen bleiben. Der I-Regler gleicht diese Schieflage langsam aus, indem der rechte Motor in der Leistung erhöht wird, bis das Flugmodell wieder waagerecht ist. Beachten Sie, dass dazu der I-Regler den rechten Motor mit einer höheren Leistung betreibt, da das grüne Gewicht in den roten Bereich rutscht. Wie stark die Motorleistung durch den I-Regler verändert wird bestimmt der I-Parameter. Dieser Wert sollte normalerweise nahe Null bleiben.

Ist der I-Wert zu hoch eingestellt, beginnt der Copter zu oszillieren, ähnlich wie bei einem zu hoch eingestelltem P-Wert. Man versucht den I-Wert möglichst klein zu halten.

Kleine Gedächtnisstütze für die PID-Regelung

Regler -- Beschreibung -- Wirkung

P-Regler -- Wirkt proportional zum Sensorsignal -- in der Gegenwart.

I-Regler -- Verändert fortlaufend die Leistung, je nach Abweichung und verstrichener Zeit -- Bezieht Störungen aus der Vergangenheit (z.B. Zusatzgewicht) mit ein. Dieser Regler ist z.B. für das halten der Lage zuständig.

D-Regler -- Wird nur bei schnellen Änderungen aktiv -- Wirkt in die Zukunft und versucht bei schnellen Änderungen "vorausschauend" zu reagieren. Er dämpft den P-Regler damit dieser nicht "überschwingt". Das kostet aber Energie und bei zuviel D werden z.B. Motoren heiß.

Gut eingestellte Regler

Wenn alle drei Regler in Betrieb sind, fliegt der Copter stabil, auch bei Störungen. Das hier angegebene Verfahren stellt die Regler so ein, dass das Flugmodell in der Luft bleibt. Die 50% Regel (=50% vom Maximalwert) führt bei den meisten Flugmodellen zu einem guten ersten Ergebnis, hängt jedoch von vielen Faktoren ab. Mit neu eingestellten Reglern fliegt man am besten knapp übern Boden jedoch weit genug hoch um aus Bodenverwirbelungen heraus zu sein.

Die Grenzen sollte man neu ermitteln, wenn:

Das Modell umfassend geändert wurde (z.B. geänderte Massenverteilung, Ausleger, andere Servos)
Andere Motoren, Motorregler oder Luftschrauben eingesetzt werden.
Andere Flugakkus (Spannung, Gewicht, Innenwiderstand)

Beachte auch, dass sich die oben ermittelten Grenzen im Flug etwas verschieben, da

die Akkuspannung sinkt, wodurch die Motoren auf die Regelung etwas schwächer ansprechen.
Bei schnelleren Flügen ändert sich der Arbeitsbereich der Propeller. Die Motoren drehen insgesamt schneller.
Aerodynamische Verhältnisse beeinflussen das Regelverhalten im Flug. Ein Flugmodell welches wie ein Segel wirkt beeinflusst die Grenze im Flug stärker.
Temperatur der Komponenten. Ein kalter Akku ist beispielsweise weniger belastbar, als ein warmer.

Wichtig: Bleib am Besten immer mit Reserve unter den Grenzwerten der PID-Regler.

Hinweis: Wenn der Copter (ohne GPS) nach dem Loslassen des Steuerknüppels im Pitch- oder Horizont-Mode in waagerechter Lage weiterfliegt ist dies normal. Für den Regler ist der Copter gerade. Das es sich gegenüber dem Grund bewegt, merkt der Regler nicht.

Weitere typische Fehlerquellen sind

Sensoren nicht kalibriert.
Sensoren sind nicht fest mit dem Rahmen verbunden.
Sensoren falsch eingebaut.
Unterschiedliche Komponenten (z.B. zweierlei verschiedene Motorregler)
Motorenanordnung und Einstellungen in der Software passen nicht zusammen.
Sofort extreme Manöver, ohne sich an die Grenzen heranzutasten.
Schlechter bzw. instabiler mechanischer Aufbau.

Was macht man wenn...

Modell reagiert träge und schwebt schlecht bzw. instabil (z.B. tanzt, taumelt)
P-Wert rauf und D-Wert runter evtl. auch I-Wert runter. Der P-Wert darf dabei keinesfalls über der oben ermittelten Schwelle liegen.

Beim Schwebeflug driftet das Modell ab
I-Wert und evtl. P-Wert erhöhen.

Bei schnellen Flügen beginnt das Modell langsam zu oszillieren
I-Wert zu hoch oder zu niedrig – je nach Drohne.

Modell oszilliert leicht bei Störungen (z.B. anstupsen oder Windböe)
D-Wert runter.

Modell reagiert zu langsam auf Störungen (z.B. anstupsen oder Windböe)
D-Wert und evtl. P-Wert erhöhen.

Dieses Video zeigt es ganz gut: