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PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)  Topic is solved

Using the autopilot is an important thing when flying airliners.

PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby skipper0802 » Sun Nov 18, 2018 10:40 pm

Greetings All,
This is my first attempt to reconcile the speed-mode PID process against expectation. That is to say, the PID controller centers on the correct value (process value/PV or reference.)
Here's some context: Set <debug> in the Autopilot.xml file for the "thrust mode: SPD/ias" <pid-controller> module. Line# 456. Departed KBFI northbound, and trimmed for stable flight. Since my altitude was greater-than 300 feet, I set 240 kts in the Autopilot Settings dialog (F11) and clicked the Throttle arm checkbox. The PID seemed to stabilize but near an incorrect target of ~230 Kts.

Previously, I had read the following references on PID structure and behavior and learned that PIDs can be a very extensive topic:
(1) XML Autopilot Config File http://www.flightgear.org/Docs/XMLAutopilot/node4.html
(2) Control Theory 101 http://www.flightgear.org/Docs/XMLAutopilot/node2.html
(3) Wikipedia's PID controller https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

According to Ref(1), the summation of the products of the respective constants, Kp, Ki, and Kd, and their error terms, should produce an output to replace or adjust the process value. Additionally, Ref(2) tells us that each constant term will have it's own error term, e.g., en = rn - yn. Furthermore, Ref(3) shows that loop tuning can be a difficult process using different methods (depending on one's personal tolerance I guess.)

Here's the last debug excerpt from the console:
Updating Auto Throttle1 ias Ts 0.00833333
input = 229.857 ref = 240
ep_n = 10.1427 ep_n_1 = 10.1442 e_n = 10.1427 ed_n = -229.857 Tf = 1e-05 edf_n = -229.857 delta_u_n = 0.00111142
P:-0.000240962 I:0.00135236 D:2.32035e-08
max saturation
output = 1


Whew, that was a lot. Alright, looking at the excerpt above, I see that the setpoint (SP or reference) equals 240, and that the process value (PV or input) equals 229.857. Calculating the difference gives us -10.1427 (ep_n). So...figuring the error term for Kp is where my expectation went astray. The error term should be the product of Kp and the delta, but there's multiple delta values noted for which I haven't learned the meaning yet (ep_n_1, e_n, ed_n, edf_n). Maybe delta at different time steps? Anyway, go to Line# 480. This is the <config> module for Kp. (Sorry I haven't figured-out how to capture the line numbers in the pasted data of my code editor.)

The contents of the Autopilot.xml file thus:
Code: Select all
<?xml version="1.0"?>

<PropertyList>
   <!-- =============================================================== -->
   <!--                        Lateral Modes                            -->
   <!-- =============================================================== -->

   <pi-simple-controller>
      <name>HDG HOLD</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <condition>
            <equals>
               <property>instrumentation/afds/ap-modes/roll-mode</property>
               <value>HDG HOLD</value>
            </equals>
         </condition>
      </enable>
      <input>
         <property>autopilot/internal/fdm-heading-bug-error-deg</property>
      </input>
      <reference>
         <value>0</value>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-roll-deg</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>-1.75</Kp>
         <Ki>0.0</Ki>
         <u_min>-30</u_min>
         <u_max>30</u_max>
         <!--u_min>
            <property>instrumentation/afds/settings/bank-min</property>
         </u_min>
         <u_max>
            <property>instrumentation/afds/settings/bank-max</property>
         </u_max-->
      </config>
   </pi-simple-controller>

   <filter>
      <name>LNAV waypoint error computer/normalizer</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/ap-modes/roll-mode</property>
         <value>LNAV</value>
      </enable>
      <type>gain</type>
      <input>
         <property>/autopilot/route-manager/wp/bearing-deg</property>
         <offset>
         <property>/orientation/heading-magnetic-deg</property>
         <scale>-1.0</scale>
         </offset>
      </input>
      <output>autopilot/internal/waypoint-bearing-error-deg</output>
      <period>
         <min>-180</min>
         <max>180</max>
      </period>
      <gain>1.0</gain>
   </filter>

   <pi-simple-controller>
      <name>LNAV1</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/ap-modes/roll-mode</property>
         <value>LNAV</value>
      </enable>
      <input>
         <property>/autopilot/internal/waypoint-bearing-error-deg</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/internal/course-deviation</property>
         <scale>-1.5</scale>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-roll-deg</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>-1.75</Kp>
         <Ki>0.0</Ki>
         <u_min>-30</u_min>
         <u_max>30</u_max>
      </config>
   </pi-simple-controller>

   <pi-simple-controller>
      <name>LOC</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/ap-modes/roll-mode</property>
         <value>LOC</value>
      </enable>
      <input>
         <property>/autopilot/internal/nav1-heading-error-deg</property>
      </input>
      <reference>
         <value>0.0</value>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-roll-deg</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>-3.0</Kp>
         <Ki>0.0</Ki>
         <u_min>-30</u_min>
         <u_max>30</u_max>
      </config>
   </pi-simple-controller>

   <pid-controller>
      <name>Aileron Control</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/inputs/AP</property>
      </enable>
      <input>
         <property>/orientation/roll-deg</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/internal/target-roll-deg</property>
      </reference>
      <output>
         <property>/controls/flight/aileron-filter</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>0.007</Kp>
         <Ti>10</Ti>
         <Td>0.0</Td>
         <u_min>
            <value>-0.5</value>
         </u_min>
         <u_max>
            <value>0.5</value>
         </u_max>
      </config>
   </pid-controller>

   <filter>
      <name>Aileron control filter</name>
      <debug>false</debug>
      <type>noise-spike</type>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/inputs/AP</property>
      </enable>
      <max-rate-of-change>0.5</max-rate-of-change>
      <initialize-to>output</initialize-to>
      <input>
         <property>/controls/flight/aileron-filter</property>
      </input>
      <output>/controls/flight/aileron</output>
   </filter>

   <!-- =============================================================== -->
   <!-- Pitch Axis Modes                                                -->
   <!-- =============================================================== -->

   <pi-simple-controller>
      <name>Altitude Stage 1</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <condition>
            <or>
               <equals>
                  <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                  <value>ALT</value>
               </equals>
               <and>
                  <equals>
                     <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                     <value>V/S</value>
                  </equals>
                  <equals>
                     <property>autopilot/settings/vertical-speed-fpm</property>
                     <value>0</value>
                  </equals>
               </and>
            </or>
         </condition>
      </enable>
      <input>
         <property>instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/settings/actual-target-altitude-ft</property>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-climb-rate-fps</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>0.15</Kp>
         <Ki>0.01</Ki>
         <u_min>
         <value>-20.00</value>
         </u_min>
         <u_max>
         <value>20.00</value>
         </u_max>
      </config>
   </pi-simple-controller>

   <pid-controller>
      <name>Altitude Hold (Altimeter based) Stage 2</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <condition>
            <or>
               <equals>
                  <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                  <value>ALT</value>
               </equals>
               <and>
                  <equals>
                     <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                     <value>V/S</value>
                  </equals>
                  <equals>
                     <property>autopilot/settings/vertical-speed-fpm</property>
                     <value>0</value>
                  </equals>
               </and>
            </or>
         </condition>
      </enable>
      <input>
         <property>/velocities/vertical-speed-fps</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/internal/target-climb-rate-fps</property>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-pitch-deg</property>
      </output>
      <config>
      <Kp>
         <condition>
            <greater-than>
               <property>instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft</property>
               <value>26000</value>
            </greater-than>
         </condition>
         <value>0.1</value>
      </Kp>
      <Kp>
         <condition>
            <greater-than>
               <property>instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft</property>
               <value>14000</value>
            </greater-than>
         </condition>
         <value>0.2</value>
      </Kp>
         <Kp>0.5</Kp>
         <beta>1.0</beta>
         <alpha>0.1</alpha>
         <gamma>0.0</gamma>
         <Ti>10.0</Ti>
         <Td>0.005</Td>
         <u_min>-15</u_min>
         <u_max>15</u_max>
         <!--u_min>
            <property>instrumentation/afds/settings/pitch-min</property>
         </u_min>
         <u_max>
            <property>instrumentation/afds/settings/pitch-max</property>
         </u_max-->
      </config>
   </pid-controller>

   <pid-controller>
      <name>Glideslope Hold</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
         <value>G/S</value>
      </enable>
      <input>
         <property>/velocities/vertical-speed-fps</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/instrumentation/nav[0]/gs-rate-of-climb</property>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-pitch-deg</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>0.45</Kp>
         <Td>0.0007</Td>
         <Ti>50.0</Ti>
         <u_min>-15</u_min>
         <u_max>15</u_max>
      </config>
   </pid-controller>

   <pid-controller>
      <name>VS</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <condition>
            <and>
               <equals>
                  <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                  <value>V/S</value>
               </equals>
               <not>
                  <equals>
                     <property>autopilot/settings/vertical-speed-fpm</property>
                     <value>0</value>
                  </equals>
               </not>
            </and>
         </condition>
      </enable>
      <input>
         <property>/velocities/vertical-speed-fps</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/settings/vertical-speed-fpm</property>
         <scale>0.01666666</scale>
      </reference>
      <output>
         <property>/autopilot/internal/target-pitch-deg</property>
      </output>
      <config>
         <Ts>0.05</Ts>
         <Kp>0.15</Kp>
         <beta>1.0</beta>
         <alpha>0.1</alpha>
         <gamma>0.0</gamma>
         <Ti>10.0</Ti>
         <Td>0.00001</Td>
         <u_min>-15</u_min>
         <u_max>15</u_max>
         <!--u_min>
            <property>instrumentation/afds/settings/pitch-min</property>
         </u_min>
         <u_max>
            <property>instrumentation/afds/settings/pitch-max</property>
         </u_max-->
      </config>
   </pid-controller>

   <pid-controller>
      <name>Elevator Control</name>
      <debug>false</debug>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/inputs/AP</property>
      </enable>
      <input>
         <property>/orientation/pitch-deg</property>
      </input>
      <reference>
         <property>/autopilot/internal/target-pitch-deg</property>
      </reference>
      <output>
         <property>/controls/flight/elevator-trim-filter</property>
      </output>
      <config>
         <Kp>-0.020</Kp>
         <Ti>10.0</Ti>
         <Td>0.0</Td>
         <u_min>
            <value>-0.8</value>
         </u_min>
         <u_max>
            <value>0.8</value>
         </u_max>
      </config>
   </pid-controller>

   <filter>
      <name>Elevator control filter</name>
      <debug>false</debug>
      <type>noise-spike</type>
      <enable>
         <property>instrumentation/afds/inputs/AP</property>
      </enable>
      <max-rate-of-change>0.2</max-rate-of-change>
      <initialize-to>output</initialize-to>
      <input>
         <property>/controls/flight/elevator-trim-filter</property>
      </input>
      <output>/controls/flight/elevator-trim</output>
   </filter>

    <filter>
        <name>IAS speed limit</name>
        <type>gain</type>
        <gain>1.0</gain>
        <input>
            <condition>
                <greater-than>
                    <property>/controls/flight/flaps</property>
                    <value>0.0</value>
                </greater-than>
            </condition>

            <expression>
                <table>
                    <property>/controls/flight/flaps</property>
                    <entry><ind>0.033</ind><dep>255</dep></entry>
                    <entry><ind>0.166</ind><dep>235</dep></entry>
                    <entry><ind>0.5</ind><dep>215</dep></entry>
                    <entry><ind>0.666</ind><dep>200</dep></entry>
                    <entry><ind>0.833</ind><dep>190</dep></entry>
                    <entry><ind>1.0</ind><dep>180</dep></entry>
                </table>
            </expression>
        </input>

        <input>
            <condition>
                <greater-than>
                    <property>/gear/gear/position-norm</property>
                    <value>0.0</value>
                </greater-than>
            </condition>
            <value>270</value>
        </input>

        <input>
            <!-- basic IAS limit based upon diagram 7771003, Sec1.Page4 in the
              continental manual -->
            <expression>
                <table>
                    <property>instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft</property>
                    <entry><ind>0</ind><dep>330</dep></entry> <!-- clean Vmo -->
                    <entry><ind>30000</ind><dep>330</dep></entry>
                    <entry><ind>43000</ind><dep>248</dep></entry>
                </table>
            </expression>
        </input>
   
        <output>instrumentation/afds/max-airspeed-kts</output>
    </filter>

    <filter>
        <type>gain</type>
        <gain>1.0</gain>

        <input>
            <expression>
                <min>
                    <property>/autopilot/settings/target-speed-kt</property>
                    <property>instrumentation/afds/max-airspeed-kts</property>
                </min>
            </expression>
        </input>

        <output>instrumentation/afds/ias-target-kt</output>
    </filter>

    <!-- thrust mode: SPD/ias -->
    <pid-controller>
        <name>Auto Throttle1 ias</name>
        <debug>true</debug>
        <enable>
            <condition>
                <property>/instrumentation/afds/inputs/at-armed</property> # original "at-armed[0]"
                <equals>
                    <property>/instrumentation/afds/inputs/autothrottle-index</property>
                    <value>1</value>
                </equals>
                <honor-passive>true</honor-passive>
            </condition>
        </enable>
      <initialize-to>output</initialize-to>
        <input>
            <prop>/instrumentation/airspeed-indicator/indicated-speed-kt</prop>
        </input>
        <reference>
            <prop>instrumentation/afds/ias-target-kt</prop>
        </reference>
        <output>
            <prop>/controls/engines/engine[0]/throttle</prop>
        </output>
        <config>
         <Kp>
            <condition>
               <and>
                  <equals>
                     <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                     <value>G/S</value>
                  </equals>
                  <less-than>
                     <property>position/altitude-agl-ft</property>
                     <value>200</value>
                  </less-than>
               </and>
            </condition>
            <value>0.0001</value>
         </Kp>
         <Kp>
               <condition>
               <greater-than>
                  <property>/instrumentation/airspeed-indicator/indicated-speed-kt</property>
                   <property>instrumentation/afds/ias-target-kt</property>
               </greater-than>
               </condition>
            <value>0.08</value>
         </Kp>
         <Kp>0.16</Kp>
            <Td>0.0001</Td>
            <Ti>
               <condition>
               <greater-than>
                  <property>/instrumentation/airspeed-indicator/indicated-speed-kt</property>
                   <property>instrumentation/afds/ias-target-kt</property>
               </greater-than>
               </condition>
            <value>20</value>
            </Ti>
            <Ti>10</Ti>
            <u_min>
               <condition>
                   <equals>
                  <property>instrumentation/afds/ap-modes/pitch-mode</property>
                  <value>G/S</value>
                   </equals>
               </condition>
            <value>0.06</value>
         </u_min>
            <u_min>0.125</u_min>
         <u_max>1</u_max>
        </config>
    </pid-controller>
</PropertyList>



The first <condition> tag shows that if "pitch-mode" = G/S AND "altitude-agl-ft < 200 then Kp = 0.0001. I found this <condition> false.
The second <condition> tag shows that if "indicated-speed-kt" and "ias-target-kt" greater-than (what?) then Kp = 0.08. I think this portion is missing an element.
If these two condition tags render false then Kp = 0.16 right?

So, the Kp error term would be: 0.16 x ( 229.857 - 240 ) = -1.623 right? But the Kp error term per the excerpt is P:-0.000240962 if I'm interpreting correctly. If I work the problem backwards I have: un = Kp x ep_n or Kp = un / ep_n, thus Kp = -0.000240962 / -10.1427 which equals 0.0000237572 or 2.37x10exp-5. This suggests that Kp is otherwise assigned some value other than the <condition> tags or "else" branches identify. Again, if my interpretation of the console is correct.

Finally, the <u_min> and <u_max> tags clamp the output. The sum of the P, I, D values from the console equals 0.001111137, which seems below the clamp values and so shouldn't the minimum (0.125) throttle percentage be applied? But it's not, the console excerpt states that "max saturation" is established (?) and that the final output equals 1. Additionally, my frame rate plummets from ~30 to 1 with corresponding frame-rate-spacing ~1400 ms when I click the "Throttle arm" checkbox; although my weather and graphics settings might have a lot to do with this.

I can watch the HUD throttle position symbol move up and down the scale as the PID controller adjusts, but I'm not certain that the tuning error(s) are in the .xml code, within the AFDS.nas code, or both. I'm betting on the .xml code :lol:

Could I have your thoughts please?
Thanks,
Eric

Here's the AFDS.nas code just in case:
Code: Select all
#############################################################################
# PC-9M Autopilot Flight Director System
# Hyde Yamakawa
#
# speed modes: SPD;
# roll modes : HDG SEL,HDG HOLD, LNAV, LOC;
# pitch modes: ALT, V/S, G/S;
# FPA range  : -9.9 ~ 9.9 degrees
# VS range   : -3880 ~ 3880 original -8000 to 6000
# ALT range  : 0 ~ 37,992 original 50,000
# KIAS range : 69 ~ 320 original 100 to 399
# MACH range : 0.40 ~ 0.95
#
#############################################################################

#Usage : var afds = AFDS.new();

var copilot = func(msg) { setprop("/sim/messages/copilot",msg);}

var AFDS =
{
   new : func
   {
      var m = {parents:[AFDS]};

      m.spd_list=["","SPD"];

      m.roll_list=["","HDG HOLD","LNAV","LOC"];

      m.pitch_list=["","ALT","V/S","G/S"];

      m.step=0;
      m.remaining_distance_log_last = 36000;
      m.heading_change_rate = 0.4 * 0.7;

      m.AFDS_node = props.globals.getNode("instrumentation/afds",1);
      m.AFDS_inputs = m.AFDS_node.getNode("inputs",1);
      m.AFDS_apmodes = m.AFDS_node.getNode("ap-modes",1);
      m.AFDS_settings = m.AFDS_node.getNode("settings",1);
      m.AP_settings = props.globals.getNode("autopilot/settings",1);

      m.AP = m.AFDS_inputs.initNode("AP",0,"BOOL");
      m.AP_disengaged = m.AFDS_inputs.initNode("AP-disengage",0,"BOOL");
      m.AP_passive = props.globals.initNode("autopilot/locks/passive-mode",1,"BOOL");                   # original 1
      m.AP_pitch_engaged = props.globals.initNode("autopilot/locks/pitch-engaged",0,"BOOL");     # original 1
      m.AP_roll_engaged = props.globals.initNode("autopilot/locks/roll-engaged",0,"BOOL");           # original 1

      m.FD = m.AFDS_inputs.initNode("FD",0,"BOOL");
      m.at1 = m.AFDS_inputs.initNode("at-armed",0,"BOOL");
      m.autothrottle_mode = m.AFDS_inputs.initNode("autothrottle-index",0,"INT");
      m.lateral_mode = m.AFDS_inputs.initNode("lateral-index",0,"INT");
      m.vertical_mode = m.AFDS_inputs.initNode("vertical-index",0,"INT");
      m.gs_armed = m.AFDS_inputs.initNode("gs-armed",0,"BOOL");
      m.loc_armed = m.AFDS_inputs.initNode("loc-armed",0,"BOOL");
      m.vor_armed = m.AFDS_inputs.initNode("vor-armed",0,"BOOL");
      m.lnav_armed = m.AFDS_inputs.initNode("lnav-armed",0,"BOOL");
      m.estimated_time_arrival = m.AFDS_inputs.initNode("estimated-time-arrival",0,"INT");
      m.remaining_distance = m.AFDS_inputs.initNode("remaining-distance",0,"DOUBLE");;
        m.vs_ind =  props.globals.initNode("autopilot/internal/vert-speed-fpm",0,"DOUBLE");

      m.heading_magnetic = m.AFDS_settings.getNode("heading-magnetic",1);

      m.AP_roll_mode = m.AFDS_apmodes.initNode("roll-mode","");
      m.AP_pitch_mode = m.AFDS_apmodes.initNode("pitch-mode","");
      m.AP_speed_mode = m.AFDS_apmodes.initNode("speed-mode","");

      m.ias_setting = m.AP_settings.initNode("target-speed-kt",200);# 100 - 399 #
      m.vs_setting = m.AP_settings.initNode("vertical-speed-fpm",0); # -3880 to +3880 #
      m.hdg_setting = m.AP_settings.initNode("heading-bug-deg",360,"INT"); # 1 to 360
      m.alt_setting = m.AP_settings.initNode("counter-set-altitude-ft",1200,"DOUBLE");
      m.target_alt = m.AP_settings.initNode("actual-target-altitude-ft",2000,"DOUBLE");

      m.APl = setlistener(m.AP, func m.setAP(),0,0);
      m.APdisl = setlistener(m.AP_disengaged, func m.setAP(),0,0);
      return m;
   },
####  Inputs   ####
###################
   input : func(mode,btn)
   {
#      if(getprop("/systems/electrical/outputs/autopilot")) # changed to "autopilot" 11-17-18 because "avionics" specific property did not exist in the property tree
#      {
         var current_alt = getprop("instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft");
         if(mode==0)
         {
            # horizontal AP controls
            if(btn == 1)      # Heading button
            {
               # set target to current magnetic heading
               var tgtHdg = int(me.heading_magnetic.getValue() + 0.50);
               me.hdg_setting.setValue(tgtHdg);
            }
            elsif(btn==2)      # LNAV button
            {
               if ((!getprop("/autopilot/route-manager/active"))or
                  (getprop("/autopilot/route-manager/current-wp")<0)or
                  (getprop("/autopilot/route-manager/wp/id")==""))
               {
                  # Oops, route manager isn't active. Keep current mode.
                  btn = me.lateral_mode.getValue();
                  copilot("Instructor:LNAV doesn't engage. We forgot to program or activate the route manager!");
               }
               else
               {
                  if(me.lateral_mode.getValue() == 2)      # Current mode is LNAV
                  {
                     # set target to current magnetic heading
                     var tgtHdg = int(me.heading_magnetic.getValue() + 0.50);
                     me.hdg_setting.setValue(tgtHdg);
                     btn = 1;   # Heading sel
                  }
                  elsif(me.lnav_armed.getValue())
                  {   # LNAV armed then disarm
                     me.lnav_armed.setValue(0);
                     btn = me.lateral_mode.getValue();
                  }
                  else
                  {   # LNAV arm
                     me.lnav_armed.setValue(1);
                     btn = me.lateral_mode.getValue();
                  }
               }
            }
            me.lateral_mode.setValue(btn);
         }
         elsif(mode==1)
         {
            # vertical AP controls
            if (btn==1)
            {
               # hold current altitude
               if(me.AP.getValue() or me.FD.getValue())
               {
                  var alt = int((current_alt+50)/100)*100;
                  me.target_alt.setValue(alt);
#                  me.autothrottle_mode.setValue(5);   # A/T SPD
               }
            }
            if(btn==2)
            {
               # hold current vertical speed
               var vs = me.vs_ind.getValue();
               vs = int(vs/100)*100;
               if (vs<-3880) vs = -3880;
               if (vs>3880) vs = 3880;
               me.vs_setting.setValue(vs);
               me.target_alt.setValue(me.alt_setting.getValue());
#               me.autothrottle_mode.setValue(5);   # A/T SPD
            }
            me.vertical_mode.setValue(btn);
         }
         elsif(mode == 2)
         {
            # throttle AP controls
            if(me.autothrottle_mode.getValue() != 0
               or (me.at1.getValue() == 0))
            {
               btn = 0;
            }
            elsif(getprop("position/altitude-agl-ft") < 400) # below baro 400 ft. changed to < on 11-18-18
            {
               btn=0;
               copilot("Auto-throttle won't engage below 400ft.");
            }
            me.autothrottle_mode.setValue(btn);
         }
         elsif(mode==3)   #FD, LOC or G/S button
         {
            var llocmode = me.lateral_mode.getValue();
            if(btn==0)
            {
               if(llocmode == 3)      # Alrady in LOC mode
               {
                  # set target to current magnetic heading
                  var tgtHdg = int(me.heading_magnetic.getValue() + 0.50);
                  me.hdg_setting.setValue(tgtHdg);
                  me.lateral_mode.setValue(2);      # Keep current headding
                  me.loc_armed.setValue(0);         # Disarm
               }
               elsif(me.loc_armed.getValue())         # LOC armed but not captured yet
               {
                  me.loc_armed.setValue(0);         # Disarm
               }
               else
               {
                  me.loc_armed.setValue(1);         # LOC arm
               }
            }
            elsif (btn==1)   #APP button
            {
               var lgsmode = me.vertical_mode.getValue();
               if(lgsmode == 3)   # Already in G/S mode
               {
                  me.vertical_mode.setValue(1);   # Keep current altitude
                  me.gs_armed.setValue(0);      # Disarm
               }
               elsif(me.gs_armed.getValue())      # G/S armed but not captured yet
               {
                  me.gs_armed.setValue(0);      # Disarm
                  if(llocmode == 3)      # Alrady in LOC mode
                  {
                     # set target to current magnetic heading
                     var tgtHdg = int(me.heading_magnetic.getValue() + 0.50);
                     me.hdg_setting.setValue(tgtHdg);
                     me.lateral_mode.setValue(1);      # Keep current headding
                     me.loc_armed.setValue(0);         # Disarm
                  }
                  else
                  {
                     me.loc_armed.setValue(0);         # Disarm
                  }
               }
               else
               {
                  me.gs_armed.setValue(1);      # G/S arm
                  if(me.loc_armed.getValue() == 0)
                  {
                     me.loc_armed.setValue(1);      # LOC arm
                  }
               }
            }
            elsif(btn == 2)   # FD button toggle
            {
               if(!me.FD.getValue())
               {
                  if(me.lateral_mode.getValue() == 0)      # Not set
                  {
                     # set target to current magnetic heading
                     var tgtHdg = int(me.heading_magnetic.getValue() + 0.50);
                     me.hdg_setting.setValue(tgtHdg);
                     me.lateral_mode.setValue(1);      # HDG HOLD
                  }
                  if(me.vertical_mode.getValue() == 0)   # Not set
                  {
                     var alt = int((current_alt+50)/100)*100;
                     me.target_alt.setValue(alt);
                     me.vertical_mode.setValue(1);      # ALT
                  }
                  me.FD.setValue(1)
               }
               else
               {
                  if(!me.AP.getValue())
                  {
                     me.lateral_mode.setValue(0);      # Clear
                     me.vertical_mode.setValue(0);      # Clear
                  }
                  me.FD.setValue(0)
               }
            }
         }
#      }
   },
###################
   setAP : func{
      var output = 1-me.AP.getValue();
      var disabled = me.AP_disengaged.getValue();
      if((output==0)and(getprop("position/altitude-agl-ft")<200))
      {
         disabled = 1;
         copilot("Instructor:Autopilot won't engage below 200ft.");
      }
      if((disabled)and(output==0)){output = 1;me.AP.setValue(0);}
      if (output==1)
      {
         var msg="";
         var msg2="";
         var msg3="";
         if (abs(getprop("controls/flight/rudder-trim"))   > 0.04) msg  = "rudder";
         if (abs(getprop("controls/flight/elevator-trim")) > 0.04) msg2 = "pitch";
         if (abs(getprop("controls/flight/aileron-trim"))  > 0.04) msg3 = "aileron";
         if (msg ~ msg2 ~ msg3 != "")
         {
            if ((msg != "")and(msg2!=""))
               msg = msg ~ ", " ~ msg2;
            else
               msg = msg ~ msg2;
            if ((msg != "")and(msg3!=""))
               msg = msg ~ " and " ~ msg3;
            else
               msg = msg ~ msg3;
            copilot("Instructor:Autopilot disengaged. Careful, check " ~ msg ~ " trim!");
         }
         me.loc_armed.setValue(0);         # Disarm
         me.gs_armed.setValue(0);         # Disarm
         if(!me.FD.getValue())
         {
            me.lateral_mode.setValue(0);      # NO MODE
            me.vertical_mode.setValue(0);      # NO MODE
         }
         else
         {
            me.lateral_mode.setValue(1);      # HDG HOLD
            me.vertical_mode.setValue(1);      # ALT
         }
         me.autothrottle_mode.setValue(0);
      }
      else
      {
         if(me.lateral_mode.getValue() == 0)      # Not set
         {
            me.input(0,1);
         }
         if(me.vertical_mode.getValue() == 0)   # Not set
         {
            me.input(1,1);
         }
      }
   },
#################
   ap_update : func
   {
      var current_alt = getprop("instrumentation/altimeter/indicated-altitude-ft");
      var VS = getprop("velocities/vertical-speed-fps");
      var TAS = getprop("velocities/uBody-fps");
      if(me.step == 0)
      { ### glideslope armed ?###
         if(me.gs_armed.getValue())
         {
            var gsdefl = getprop("instrumentation/nav/gs-needle-deflection");
            var gsrange = getprop("instrumentation/nav/gs-in-range");
            if ((gsdefl< 0.5 and gsdefl>-0.5)and
               gsrange)
            {
               me.vertical_mode.setValue(3);
               me.gs_armed.setValue(0);
            }
         }
      }
      elsif(me.step == 1)
      { ### localizer armed ? ###
         if(me.loc_armed.getValue())
         {
            if (getprop("instrumentation/nav/in-range"))
            {

               if(!getprop("instrumentation/nav/nav-loc"))
               {
                  var vheading = getprop("instrumentation/nav/radials/selected-deg");
                  var vvor = getprop("instrumentation/nav/heading-deg");
                  var vdist = getprop("instrumentation/nav/nav-distance");
                  var vorient = getprop("environment/magnetic-variation-deg");
                  var vmag = getprop("orientation/heading-magnetic-deg");
                  var vspeed = getprop("/instrumentation/airspeed-indicator/indicated-mach");
                  var deg_to_rad = math.pi / 180;
                  var vdiff = abs(vheading - vvor + vorient);
                  vdiff = abs(vdist * math.sin(vdiff * deg_to_rad));
                  var vlim = vspeed / 0.3 * 1300 * abs(vheading - vmag) / 45 ;
                  if(vdiff < vlim)
                  {
                     me.lateral_mode.setValue(3);
                     me.loc_armed.setValue(0);
                  }
               }
               else
               {
                  var hddefl = getprop("instrumentation/nav/heading-needle-deflection");
                  if(abs(hddefl) < 9.9)
                  {
                     me.lateral_mode.setValue(3);
                     me.loc_armed.setValue(0);
                     var vradials = getprop("instrumentation/nav[0]/radials/target-radial-deg")
                        - getprop("environment/magnetic-variation-deg") + 0.5;
                     if(vradials < 0.5) vradials += 360;
                     elsif(vradials >= 360.5) vradials -= 360;
                     me.hdg_setting.setValue(vradials);
                  }
               }
            }
         }
         elsif(me.lnav_armed.getValue())
         {
            if(getprop("position/altitude-agl-ft") > 50)
            {
               me.lnav_armed.setValue(0);      # Clear
               me.lateral_mode.setValue(2);   # LNAV
            }
         }
      }
      elsif(me.step == 2)
      { ### check lateral modes  ###
         var vheading = getprop("orientation/heading-magnetic-deg");
         if(vheading < 0.5)
         {
            vheading += 360;
         }
         me.heading_magnetic.setValue(vheading);
         var idx = me.lateral_mode.getValue();
         me.AP_roll_mode.setValue(me.roll_list[idx]);
         me.AP_roll_engaged.setBoolValue(idx > 0);
      }
      elsif(me.step == 3)
      { ### check vertical modes  ###
         var idx = me.vertical_mode.getValue();
         var offset = (abs(me.vs_ind.getValue()) / 8);
         if(offset < 20)
         {
            offset = 20;
         }
         if((idx==1)or(idx==2))
         {
            if (abs(current_alt - me.alt_setting.getValue()) < offset)
            {
               # within MCP altitude: switch to ALT HOLD mode
               idx = 1;   # ALT
#               if(me.autothrottle_mode.getValue() != 0)
#               {
#                  me.autothrottle_mode.setValue(5);   # A/T SPD
#               }
               me.vs_setting.setValue(0);
            }
         }
         me.vertical_mode.setValue(idx);
         me.AP_pitch_mode.setValue(me.pitch_list[idx]);
      }
      elsif(me.step == 4)          ### Auto Throttle mode control  ###
      {
         # Auto throttle arm switch is offed
         if(me.at1.getValue() == 0)
         {
            me.autothrottle_mode.setValue(0);
         }
         # AP and A/T off when below AGL100ft
         elsif(getprop("position/altitude-agl-ft") < 100)
         {
            me.autothrottle_mode.setValue(0);
            me.AP.setValue(0);
         }
         # Take off mode and above baro 400 ft
         elsif(getprop("position/altitude-agl-ft") > 400)
         {
            if(me.at1.getValue() == 1)
            {
               me.autothrottle_mode.setValue(1);
            }
         }
         idx = me.autothrottle_mode.getValue();
         me.AP_speed_mode.setValue(me.spd_list[idx]);
      }
      elsif(me.step == 5)
      {
         if (getprop("/autopilot/route-manager/active")){
            var max_wpt = getprop("/autopilot/route-manager/route/num");
            var atm_wpt = getprop("/autopilot/route-manager/current-wp");
            var destination_elevation = getprop("/autopilot/route-manager/destination/field-elevation-ft");
            var total_distance = getprop("/autopilot/route-manager/total-distance");
            if(me.lateral_mode.getValue() == 2)      # Current mode is LNAV
            {
               if(atm_wpt < (max_wpt - 1))
               {
                  me.remaining_distance.setValue(getprop("/autopilot/route-manager/wp/remaining-distance-nm")
                     + getprop("autopilot/route-manager/wp/dist"));
                  var next_course = getprop("/autopilot/route-manager/wp[1]/bearing-deg");
               }
               else
               {
                  me.remaining_distance.setValue(getprop("autopilot/route-manager/wp/dist"));
               }
            }
            if(getprop("/autopilot/route-manager/active"))
            {
               var wpt_distance = getprop("autopilot/route-manager/wp/dist");
               var groundspeed = getprop("/velocities/groundspeed-kt");
               if(wpt_distance != nil)
               {
                  var wpt_eta = (wpt_distance / groundspeed * 3600);
                  var gmt = getprop("instrumentation/clock/indicated-sec");
                  if((getprop("gear/gear[1]/wow") == 0) and (getprop("gear/gear[2]/wow") == 0))
                  {
                     gmt += (wpt_eta + 30);
                     var gmt_hour = int(gmt / 3600);
                     if(gmt_hour > 24)
                     {
                        gmt_hour -= 24;
                        gmt -= 24 * 3600;
                     }
                     me.estimated_time_arrival.setValue(gmt_hour * 100 + int((gmt - gmt_hour * 3600) / 60));
                     var change_wp = abs(getprop("/autopilot/route-manager/wp[1]/bearing-deg") - me.heading_magnetic.getValue());
                     if(change_wp > 180) change_wp = (360 - change_wp);
                     if(((me.heading_change_rate * change_wp) > wpt_eta)
                        or (wpt_distance < 0.4)
                        or ((me.remaining_distance_log_last < wpt_distance) and (change_wp < 80)))
                       {
                          if(atm_wpt < (max_wpt - 1))
                        {
                           atm_wpt += 1;
                           props.globals.getNode("/autopilot/route-manager/current-wp").setValue(atm_wpt);
                           me.altitude_restriction = getprop("/autopilot/route-manager/route/wp["~atm_wpt~"]/altitude-ft");
                        }
                        me.remaining_distance_log_last = 36000;
                     }
                     else
                     {
                        me.remaining_distance_log_last = wpt_distance;
                     }
                  }
                  if(getprop("/autopilot/internal/waypoint-bearing-error-deg") != nil)
                  {
                     if(abs(getprop("/position/latitude-deg")) < 80)
                     {
                         if(abs(getprop("/instrumentation/gps/wp/wp[1]/course-error-nm")) < 2)
                        {
                           setprop("/autopilot/internal/course-deviation", getprop("/instrumentation/gps/wp/wp[1]/course-error-nm"))
                        }
                        elsif(getprop("/instrumentation/gps/wp/wp[1]/course-deviation-deg") < 2)
                        {
                           setprop("/autopilot/internal/course-deviation", getprop("/instrumentation/gps/wp/wp[1]/course-deviation-deg"))
                        }
                        else
                        {
                           setprop("/autopilot/internal/course-deviation", 0);
                        }
                     }
                     else
                     {
                        setprop("/autopilot/internal/course-deviation", 0);
                     }
                  }
               }
            }
         }
      }
      me.step+=1;
      if(me.step > 5) me.step = 0;
   },
};

#####################
var click_reset = func(propName) {
    setprop(propName,0);
}

controls.click = func(button) {
    if (getprop("sim/freeze/replay-state"))
        return;
    var propName="sim/sound/click"~button;
    setprop(propName,1);
    settimer(func { click_reset(propName) },0.4);
}

var afds = AFDS.new();

var afds_init_listener = setlistener("/sim/signals/fdm-initialized", func {
   removelistener(afds_init_listener);
   settimer(update_afds,6);
   print("AFDS System ... OK");
});

var update_afds = func {
   afds.ap_update();
   settimer(update_afds, 0);
}
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby it0uchpods » Mon Nov 19, 2018 6:09 pm

Hello,
To start off,n the frame drop thing is due to your <debug>true</debug>. When this is set to true, the system has to print the infos into the console, which is what lowers the frames. I find that PID tuning can be done easily without this info, just by examining the response of the system either through the Phi graphs, FGPlot, or depending on the system, just monitoring the deflection visually.

in FG, we use the so called "velocity" style PID, and it is used as an offset, rather than an absolute value.
Since it is an offset PID, the output is computed as an offset from what the <output> property is. If you wish for the system to use absolute value, you need to combine a pi-simple-controller and a derivative filter. (sum expression).

however, for autothrottle, I find offset PID to work very better, since the PID will start off from where the throttle position left off.

The second important thing about our PID is that you may notice, there is no Ki or Kd terms. Instead, it uses Integrator Time, and Derivative Time. (Ti and Td). The basic of how it works is, the HIGHER your Integrator Time, the less integrator. So if you want more integrator action, you lower the Ti. It always has to be positive, regardless the signage in Kp, which determines the signs for the system. Td is opposite, if you want more derivative control, you make the Td higher.

The way I usually tune is P, D, I. So first, I establish good control behavior using Kp only, with a Ti of 1000000 and a Td of 0.0, then I add Td as needed, then once that is done, I cancel the steady state error using the Ti, lowering it.

now looking at that controller, it is very bizarre that they are adjust system gains based on if the speed is greater or not. That is a terrible idea imo, that might be why it is not performing well. I recommend removing that completely, so you only have one Kp, one Ti, and one Td.

If you want a starting point, or to try these, here is a working gains for control loop I use in all my autothrottles for planes. It seems to work fine on responsive to unresponsive engines.

Code: Select all
<Kp>0.06</Kp>
<Ti>9.0</Ti>
<Td>0.00001</Td> 


let me know if you have any further questions!

Kind Regards,
Josh
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby skipper0802 » Tue Nov 20, 2018 6:55 am

Hey Thanks Josh,
A quick reply and that I'll get back to this (and respond with results) when I have some spare time to use! :-)
-Eric
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby it0uchpods » Tue Nov 20, 2018 6:39 pm

No problem. Let me know how it goes and if you have any questions. :)

Kind Regards,
Josh
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby skipper0802 » Thu Nov 22, 2018 5:55 am

One question:
Would you know any reason why the Autopilot.xml file would not accept a <binding> tag?
Cheers,
Eric
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby it0uchpods » Thu Nov 22, 2018 2:37 pm

Hello Eric,
If mean the XML with the PID controllers, it is because that is a propertyrule file. They do not bindings.

Josh
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby skipper0802 » Thu Nov 22, 2018 4:39 pm

Hi Josh,
Ahh...thank you for the answer. Per my original post, I wanted to understand how the constants worked within the equation. So I first tried this at the tail-end of the PID controller:
Code: Select all
...       
</config>
        <binding>
            <command>nasal</command>
              <script>
                print("*** current Kp: ",getprop(Kp));
                print("*** current Ti: ",getprop(Ti));
                print("*** current Td: ",getprop(Td));
              </script>
        </binding>   
    </pid-controller>

It wasn't working, which is why I suspected that the <binding> tag wasn't valid. Maybe the <input> or <action> tag allow my nasal script to report the constants? (Oh, I wanted to do this to understand how the PID equation functioned per the resources I noted previously.) This may be a mute point if I'm going to use specific constant values like those you suggested, and without "branching" like the file authors used before.
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)  

Postby it0uchpods » Fri Nov 23, 2018 3:23 am

Hi,
A PID controller cannot make a binding -- this is impossible. You cannot use non-legal elements for it.

Further, this is not how the property tree works. The tags in this case are not properties. They are values. So you cannot getprop then. I suggest you simply look at the numbers in the Kp, Ti, and Td, as that will tell you then. :)

Kind Regards,
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby skipper0802 » Fri Nov 23, 2018 3:57 am

Thank you Josh. Your answer was what I suspected was true; much appreciated. :D :idea:
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Re: PID process Tuning and the PC-9M (AutoThrottle)

Postby it0uchpods » Fri Nov 23, 2018 8:51 pm

No problem! Let me know if you need anything else. :)

Kind Regards,
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