Cascaded Control

• 又稱: cascade control, nested-loop control, inner-outer loop control
• 類別: Control › Feedback control
• 標籤: feedback-control, pid, flight-control, motor-control, control-architecture

一種具有巢狀回饋迴路的控制結構，由外迴路為較快的內迴路計算設定值，例如無人機上依序為位置、姿態與機體角速率。

定義

串級控制（Cascaded control）把一個控制問題拆成巢狀的回饋迴路。外迴路調節使用者在意的慢變量，例如位置，它的輸出不是致動器指令，而是給內迴路的設定值，內迴路則調節變化較快的中間量，例如速度、姿態或電流。每個迴路只需處理一部分動態，因此控制器更容易設計與調校，而且內迴路能在陣風或負載扭矩等擾動影響外迴路的變數之前，就把它們抑制下來。

當內迴路比外迴路快得多時，這種結構的效果最好。此時外迴路可以把內迴路視為能立即追上其設定值。常用的經驗法則是讓每個內迴路的頻寬比包住它的迴路高出數倍，通常約為五到十倍。迴路由內往外調校：先調最內層的迴路，再在內迴路閉合的狀態下依序調校各個外迴路。限制值必須在各層之間傳遞，例如最大傾角或最大電流，而外迴路需要抗積分飽和（anti-windup），以免在內迴路飽和時仍持續累積誤差積分。

在機器人學中，有兩個例子幾乎隨處可見。馬達驅動器使用電流（扭矩）迴路，外面是速度迴路，再外面是位置迴路。多旋翼飛行控制器使用輸出期望加速度的位置控制器，期望加速度再轉換成總推力與期望姿態；接著姿態控制器輸出機體角速率指令；角速率控制器再產生扭矩，由混控器轉成各個馬達的指令。外迴路可以是 PD、PID 或以模型為基礎的控制器，位置層有時會改用模型預測控制，同時保留內部的姿態與角速率迴路。串級控制的限制在於它忽略了各層之間的耦合：需要接近內迴路頻寬表現的激烈機動，或強耦合的動態，由同時考量整個系統的控制器來處理會更好。

為何重要

大多數商用無人機、馬達驅動器與許多機器人關節，都是以串級迴路控制，因此工程師在調校、除錯或擴充實際硬體時都會碰到這種結構。了解頻寬分離與迴路之間的介面，可以解釋許多常見問題，從位置追蹤遲緩到內迴路調校不良所引起的振盪。

主要應用

• 具有位置、姿態與角速率迴路的多旋翼飛行控制器
• 具有電流、速度與位置迴路的伺服馬達驅動器
• 機器手臂與足式機器人的關節控制
• 製程控制，例如溫度與流量調節
• 將模型預測外迴路與快速的內部追蹤迴路結合

實際應用

在一架競速無人機上，團隊的規劃器送出位置、速度與加速度參考值。以較低頻率執行的外層 PD 位置迴路計算期望加速度，加上重力與前饋加速度，再將結果轉換成總推力與期望推力方向。內層的比例式姿態迴路把姿態誤差轉換成機體角速率指令，飛行控制器的角速率迴路則利用陀螺儀回饋，以高得多的頻率追蹤這些指令。當無人機在懸停時振盪，團隊會先單獨重新調校角速率迴路，再調姿態迴路，最後才調位置增益，而不是去調整外迴路來彌補調校不良的內迴路。

常見誤解

• 任何控制器都能堆疊成串級 — 這種結構仰賴內迴路明顯更快；缺少這種分離時，迴路之間會互相影響，並可能變得不穩定
• 串級迴路可以用任意順序調校 — 應先調內迴路，因為外迴路的行為取決於內迴路的反應
• 相較於模型預測控制，串級控制已經過時 — 許多以 MPC 為基礎的系統仍在執行姿態、角速率或電流的串級內迴路，MPC 只取代外層

誰需要了解

• 無人機與飛行控制工程師
• 馬達控制與驅動工程師
• 調校關節與移動底盤控制器的機器人工程師
• 學習實用回饋控制的學生

相關技術

• PID 控制（PID Control）
• PX4 Autopilot
• Betaflight
• 磁場導向控制（Field-Oriented Control）
• 抗積分飽和（Anti-Windup）

相關術語

• PID Controller
• UAV
• Differential Flatness
• Model Predictive Control
• Thrust-to-Weight Ratio
• Fault-Tolerant Control

相關專案

• MAVROS: ROS gateway for MAVLink-compatible autopilots (PX4, ArduPilot)

影片

• Introduction to Cascade Control: LearnChemE