串级PID结构及参数调整见解
在设计控制系统中，常用的控制算法为PID，即比例、积分、微分控制器。能够实现对控制对象的物理特性的控制，以期达到特定的运行效果。
此外由于PID控制器的灵活特性，可以与其它控制算法进行灵活的组合。在这里以四旋翼飞行器中的俯仰角pitch为例，采用串级PID控制算法进行简要说明。
首先的第一个问题，PID控制器在控制过程中，是如何实现对被控对象的控制的？比如设定四旋翼飞行器以仰角为5°的姿态飞行，此时对于单闭环PID的控制器而言，首先需要输入设定值SP（Set Point），其量纲为度（°），过程量PV（Process Value），其量纲为度（°）。然后通过控制器内部的运算可以获得一个控制量输出数值Out，实际使用过程中，通常将该Out以PWM的形式送给执行机构，即电机，所以其量纲并非传统意义上的物理量纲，而是一种抽象化概念，但是这种抽象化的量纲是可以通过数模转化的形式，使得电机运行，所以也可以暂称其量纲为伏特（V）。
接下来就是第二个问题，为什么PID控制器输入的参数的量纲为度，为什么输出的量纲为福特？为什么不是其他的物理量呢？比如安培（A），米（M）或者力（N）？其实个人理解，通常在线性系统中PID控制器是一个万能的量纲转换器。主要原因源自其内部的比例，积分和微分计算公式。因为经过这三个公式后，其输出的量纲必然会发生变换。所以在使用过程中，针对不同的被控对象，通过调整出特定的PID参数控制器即可输出特定的量纲。总结第二个问题，可以得出一个结论：在线性系统中PID控制器可以作为量纲转换器。
有了上述的结论，就可以很好的理解串级PID如何进行设计了。在自控理论中，通常将串级PID的内环定义为控制快速系统，具体什么是快速系统，在此处不进行详细介绍，仅通过结合四旋翼飞行器俯仰角控制进行讲解。在设计该控制器过程中通常将对角速度的控制设计为内环控制，对角度的控制设计为外环控制。针对外环而言，设定值、过程量没有变化，有变化的是其输出值为内环的设定值，而对于内环的设定值则为度每秒（°/s），过程量也为度每秒（°/s），内环的输出用于对电机进行驱动。通过以上描述发现，与原先的单闭环PID不同的是由原先单闭环PID输出的电机驱动量变为了串级PID内环的设定值，同时其量纲也发生了变化，由伏特->度每秒。
构建完毕串级PID结构，接下来的问题是如何调整其参数。其实在理解了其内外环分别控制的对象之后就很好调试了。但凡是串级结构的控制器，必须首先调整其内环参数，再调整外环。在本例中内环是对角速度的控制，所以可以先将外环断掉，即不让外环工作，或者让外环输出某一指定的常数。例如将角速度的设定值设定为0°/s，从物理意义上理解即为让其不运动。此时基于被控对象一个小的外扰，使其开始转动，既然有转动，那么其内环过程量必然有一定数值。此时通过调整内环参数使其运动过程尽快的趋于设定值即可，即静止。内环调整完毕之后调整外环的过程就和调整普通的单闭环控制器一样。调整外环与单闭环的区别在于更加简单。个人认为，究其原因在于内环是一个快速的被控对象，外环相对变换较慢，将内环控制器归结到被控对象后，站在外环的角度来看内环控制器相当于在一定程度上改变了控制对象的被控特性。
最后对于串级控制，还有另一个想法，认为内环控制器类似于微分控制器的一部分。当然在实用过程中没有很直观的感觉，只是在使用过程中有这样的想法。
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