[BF学院_卷1] -- 第14讲：Rate Error（角速度误差）——PID 真正控制的到底是什么？
第14讲：Rate Error（角速度误差）——PID 真正控制的到底是什么？
本讲知识点
- 为什么 PID Controller（PID控制器）不能直接控制 Target（目标值）？
- 为什么 PID Controller（PID控制器）不能直接控制 Current（实际值）？
- Rate Error（角速度误差）为什么会成为 PID 的输入？
- PID Controller（PID控制器）真正控制的永远是什么？
- Rate Error（角速度误差）在控制链中的控制职责
- Desired Angular Rate（目标角速度）与 Current Angular Rate（当前角速度）如何形成控制误差
- PID Controller（PID控制器）为什么必须先得到 Error（误差）才能开始工作
本讲对应 Betaflight 源码
文件：
src/main/flight/pid.c
函数：
pidController()
本讲涉及源码：
const float gyroRate = gyro.gyroADCf[axis];
float errorRate = currentPidSetpoint - gyroRate;
上一讲，我们已经完成了：
const float gyroRate = gyro.gyroADCf[axis];
本讲将正式进入：
float errorRate = currentPidSetpoint - gyroRate;
并建立：
Rate Error（角速度误差）
为什么会成为整个 PID Controller（PID控制器）的输入。
本讲学习目标
上一讲结束以后，Inner Loop（内环）已经得到了：
Desired Angular Rate（目标角速度）
↓
Current Angular Rate（当前角速度）
但是，仅仅知道：
- 应该转多快；
- 现在转多快；
控制器仍然无法开始工作。
因为，PID Controller（PID控制器）真正需要的并不是：
Target（目标值）或者 Current（实际值）
而是：
Error（误差）。
因此，本讲将建立：
Rate Error（角速度误差）
并理解为什么：
PID Controller（PID控制器）控制的永远不是目标值，而是目标值与现实之间的误差。
回顾上一讲
上一讲结束时，我们已经进入了 Inner Loop（内环），并得到了：
Desired Angular Rate（目标角速度）
↓
Current Angular Rate（当前角速度）
控制链已经推进到：
RC Stick
↓
Target Angle
↓
Current Angle
↓
Angle Error
↓
Desired Angular Rate
↓
Current Angular Rate
现在，飞控终于同时知道了：
- 飞机应该转多快；
- 飞机现在转多快。
但是，一个新的问题出现了：
PID Controller（PID控制器）到底应该控制什么？
Target 和 Current 并不会直接产生控制
假设，现在外环希望飞机完成一次快速滚转：
Desired Angular Rate = 300°/s
与此同时，陀螺仪返回：
Current Angular Rate = 225°/s
于是，控制系统现在知道：
应该转：300°/s
现实却只有：225°/s
但是，此时 PID Controller（PID控制器）仍然无法开始工作。
因为对于 PID 来说, 300 和 225 其实都没有意义。
PID 并不关心目标是多少？也不关心现实是多少？
它真正关心的问题只有一个：现实距离目标还差多少？
因为：
控制系统真正需要控制的，永远都是误差。
PID Controller 真正需要的是什么？
继续观察刚才的例子：
Desired Angular Rate = 300°/s
Current Angular Rate = 225°/s
对于控制器来说，它真正关心的是：
300 - 225 = 75
也就是说, 飞机还少转了：75°/s。
于是, 75°/s 才是真正需要被控制的数据。
同样，如果现在变成：
Desired Angular Rate = 300°/s
Current Angular Rate = 330°/s
控制器得到的则是：
300 - 330 = -30°/s
它立刻知道：飞机已经转得太快了。
请注意这里发生的变化, 控制器看到的已经不再是 300 和 225, 而是：+75°/s 或者 -30°/s。
因此，对于 PID 来说，它真正需要控制的永远都是 Error（误差）。
Rate Error（角速度误差）的建立
直到这里，我们终于可以建立：
Rate Error（角速度误差）
它表示：
目标角速度 减去 当前角速度。
即：
Rate Error = Desired Angular Rate - Current Angular Rate
它的现实意义就是：
飞机距离我们希望达到的旋转速度，还差多少。
因此：
Desired Angular Rate
↓
Current Angular Rate
↓
Rate Error
实际上描述的是：
应该转多少
↓
现在转多少
↓
还差多少
控制器真正需要知道的永远都是最后一句：还差多少？
第二行源码终于出现了
现在，我们终于可以回到 pidController() 的第二行核心源码：
float errorRate = currentPidSetpoint - gyroRate;
请注意：
currentPidSetpoint 表示：Desired Angular Rate（目标角速度）
gyroRate 表示：Current Angular Rate（当前角速度）
因此：
float errorRate = currentPidSetpoint - gyroRate;
翻译成控制链语言就是：
Rate Error = Desired Angular Rate - Current Angular Rate
源码完成的事情其实非常简单：
它第一次告诉 PID Controller（PID控制器），飞机距离目标状态还差多少。
直到这一刻：
PID Controller（PID控制器）才终于获得了自己的输入。
为什么 PID 控制的永远都是 Error？
现在我们终于能够回答这个问题：
PID为什么不控制Target（目标值）？
因为：
Target（目标值）并不知道控制是否已经成功。
同样：
PID为什么不控制Current（实际值）？
因为：
Current（实际值）并不知道应该达到什么目标。
只有Target 和 Current 共同产生的Error（误差），才能同时告诉控制器：
- 应该去哪里；
- 现在在哪里；
- 两者之间还差多少。
因此：
PID Controller（PID控制器）控制的永远不是目标值，也不是实际值，而是目标值与现实之间的误差。
这也是整个 PID 控制理论最核心的思想之一。
控制链继续推进
至此，控制链正式推进到：
RC Stick
↓
Target Angle
↓
Current Angle
↓
Angle Error
↓
Desired Angular Rate
↓
Current Angular Rate
↓
Rate Error
↓
？？？
现在，一个新的问题出现了：
PID Controller（PID控制器）已经拿到了 Rate Error（角速度误差）。
但是，它准备如何利用这个误差去控制飞机？
例如：
误差是：+75°/s， 应该增加多少控制量？
误差是：-30°/s，又应该减少多少控制量？
控制器仍然不知道答案。
于是，我们终于来到了 PID Controller（PID控制器）的第一部分。
本讲小结
本讲正式建立了 Rate Error（角速度误差）的控制职责。PID Controller（PID控制器）真正控制的并不是 Target（目标值）或者 Current（实际值），而是两者之间的 Error（误差）。只有当控制器同时知道目标值、现实值以及两者之间的差距时，它才能开始决定应该增加多少控制量或者减少多少控制量。
至此，Inner Loop（内环）已经完成了 PID Controller（PID控制器）的输入建立工作。
下一讲预告
现在，PID Controller（PID控制器）终于拿到了：
Rate Error（角速度误差）。
但是，它仍然不知道应该如何利用这个误差去控制飞机。
下一讲，我们将正式进入 PID Controller（PID控制器）的第一部分：
P Term（比例控制项）。
去看看飞控究竟是如何利用误差开始控制飞机的。
浙公网安备 33010602011771号