Optimal Design of PID Controller Parameters with Particle Swarm Optimization for Quadrotors

Abstract

This study presents a comprehensive comparative analysis of multiple Particle Swarm Optimization configurations for optimizing Proportional-Integral-Derivative controllers in quadrotor unmanned aerial vehicles. Traditional PID tuning methods such as Ziegler-Nichols often produce suboptimal performance for complex multi-variable systems. We investigate four distinct PSO configurations—Fast, Balanced, Quality, and Aggressive—evaluating their performance across five diverse flight scenarios including basic takeoff, attitude control, and transitional flight maneuvers. The optimization process focuses on twelve PID parameters controlling altitude, roll, pitch, and yaw dynamics. Experimental results demonstrate that PSO-based optimization significantly outperforms conventional Ziegler-Nichol’s tuning, with Root Mean Square Error improvements ranging from 45.2% to 51.7% across different configurations. Statistical analysis confirms the robustness and consistency of PSO-based approaches across varying operational conditions. Spanish-language metadata / Metadatos en españolTítulo en español:Diseño óptimo de los parámetros de controladores PID mediante optimización por enjambre de partículas para cuadricópteros Resumen:Este estudio presenta un análisis comparativo exhaustivo de múltiples configuraciones de optimización por enjambre de partículas (PSO) para optimizar controladores proporcional-integral-derivativo (PID) en vehículos aéreos no tripulados de tipo cuadricóptero. Los métodos tradicionales de ajuste PID, como el de Ziegler–Nichols, suelen producir un desempeño subóptimo en sistemas multivariables complejos. Se investigan cuatro configuraciones distintas de PSO —Fast, Balanced, Quality y Aggressive— y se evalúa su desempeño en cinco escenarios de vuelo diferentes, entre ellos el despegue básico, el control de actitud y las maniobras de vuelo transicional. El proceso de optimización se centra en doce parámetros PID que controlan la dinámica de altitud, alabeo, cabeceo y guiñada. Los resultados experimentales demuestran que la optimización basada en PSO supera significativamente al ajuste convencional de Ziegler–Nichols, con mejoras en la raíz del error cuadrático medio (RMSE) que oscilan entre el 45.2 % y el 51.7 % para las distintas configuraciones. El análisis estadístico confirma la robustez y la consistencia de los enfoques basados en PSO bajo diversas condiciones operativas. Palabras Claves:control de cuadricópteros; ajuste de controladores PID; optimización por enjambre de partículas; control multivariable; vehículo aéreo no tripulado; dinámica de vuelo; optimización evolutiva; minimización del RMSE; control de actitud; control de altitud; ajuste de Ziegler–Nichols; evaluación del desempeño del controlador. Smart citations: https://scite.ai/reports/10.61467/2007.1558.2026.v17i4.1347Dimensions.Open Alex.