文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.004
中文引用格式: 馬曉爽,石征錦. 一種改進(jìn)Fuzzy-PID技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(10):21-23,28.
英文引用格式: Ma Xiaoshuang,Shi Zhengjin. An improved Fuzzy-PID technology of vehicle attitude control system design[J].Application of Electronic Technique,2016,42(10):21-23,28.
0 引言
飛行器在大氣層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有非線性、強(qiáng)耦合、不確定等特性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,并且易受風(fēng)干擾等隨機(jī)干擾的影響,氣動(dòng)參數(shù)變化劇烈。因此,設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)是保證使其按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)的必要條件。目前應(yīng)用較普遍的飛行器姿態(tài)控制技術(shù)是采用PID控制,簡(jiǎn)單可靠,性能穩(wěn)定。但在某些惡劣環(huán)境下,對(duì)飛行器的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性要求較高,僅靠PID或改進(jìn)的PID控制技術(shù)難以滿足。
因此,本文將PID控制和Fuzzy控制結(jié)合起來應(yīng)用在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中。Fuzzy控制是一種仿人思維的智能控制方法,不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型,可以較好地解決由于飛行器模型不精確和隨機(jī)干擾引起的控制問題。但Fuzzy控制很難解決系統(tǒng)本身存在的穩(wěn)態(tài)誤差,PID控制正好能夠彌補(bǔ)這一不足。同時(shí),為了改善Fuzzy控制器的性能,加入自動(dòng)修正因子對(duì)其參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,保證控制系統(tǒng)能在大范圍內(nèi)獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。
1 Fuzzy-PID控制器設(shè)計(jì)
1.1 總體設(shè)計(jì)
Fuzzy-PID控制的基本原理如圖1所示。
控制系統(tǒng)由兩部分組成:Fuzzy控制器和PID控制器。選取誤差和誤差變化率作為系統(tǒng)輸入,輸出為系統(tǒng)控制量u??刂葡到y(tǒng)根據(jù)偏差e的大小來決定采用何種控制算法。當(dāng)誤差過大或較大時(shí),采用Fuzzy控制算法,加大控制作用抑制超調(diào),提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)盡快達(dá)到給定值;反之,采用PID控制算法,減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,改善靜態(tài)特性。它比單獨(dú)Fuzzy控制或者PID控制都有更好的控制性能。PID控制器的設(shè)計(jì)在本文不再贅述。
1.2 帶自動(dòng)修正因子的Fuzzy控制器設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)Fuzzy控制器的過程中,主要分為5個(gè)部分[1]:(1)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu);(2)合理地選擇量化因子和比例因子,從而確定輸入變量及輸出變量的論域;(3)確定輸入、輸出的模糊語言值以及隸屬函數(shù);(4)建立模糊規(guī)則并選定近似推理算法;(5)確定解模糊方法。其中根據(jù)操作人員積累的知識(shí)經(jīng)驗(yàn),建立模糊控制規(guī)則是最為核心的工作,F(xiàn)uzzy控制器的性能好壞主要取決于此。
設(shè)輸入量e、ec和輸出量u的論域分別為E、EC和U,其模糊子集通常用{負(fù)大(NB),負(fù)中(NM),負(fù)小(NS),零(0),正小(PS),正中(PM),正大(PB)}來表示。選取控制量的一般原則是:當(dāng)誤差大或較大時(shí),選取控制量以盡快消除誤差為主;當(dāng)誤差較小時(shí),選擇控制量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主,防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得到模糊控制器的控制規(guī)則,見表1。
設(shè)偏差e和偏差變化率ec的量化因子分別為K1和K2,控制量U的比例因子為K3,它們?cè)诤艽蟪潭壬嫌绊懩:刂破鞯男阅?。K1越大,系統(tǒng)的超調(diào)量越大,過渡過程也越長(zhǎng);反之,則系統(tǒng)變化越慢,穩(wěn)態(tài)精度降低。K2越大,系統(tǒng)超調(diào)量越小,輸出變化率越小,但系統(tǒng)變化越慢;反之,則系統(tǒng)反應(yīng)加快,但超調(diào)增大。K3主要影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,與實(shí)際控制對(duì)象有關(guān)。
在實(shí)際工作中為了使系統(tǒng)快速響應(yīng),減小超調(diào),在常規(guī)模糊控制器上引入修正因子n,在控制過程中對(duì)n值作調(diào)整,實(shí)時(shí)在線改變偏差E和偏差變化率EC的加權(quán)程度,從而取得更優(yōu)的控制效果。
設(shè)模糊化的變量為N,模糊集為{AB,AS,OK,CS,CB},子集中元素分別代表高放、低放、不變、小縮、大縮;加入修正因子n經(jīng)調(diào)整后得到新的量化因子、比例因子M1=nK1、M2=nK2、M3=K3/n。其調(diào)整原則是:當(dāng)e和ec較大時(shí),選取較大的控制量,即增大M3、減小M1和M2,減小偏差、加快動(dòng)態(tài)響應(yīng);當(dāng)e和ec較小時(shí),即系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)值時(shí),應(yīng)減小M3,增大M1和M2,減小超調(diào)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此,隨著e和ec的變化,修正因子n實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整。依據(jù)經(jīng)驗(yàn),得到修正因子n調(diào)整規(guī)則表如表1所示。
2 飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)
Fuzzy控制器中,選取輸入變量的論域?yàn)镋,EC={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5};控制量U的論域U={-3,-2,-1,0,1,2,3}。其模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。模糊控制規(guī)則表如表1所示。修正因子n的論域?yàn)閧1/4,1/2,1,2,4},其模糊子集為{AB,AS,OK,CS,CB}。修正因子n調(diào)整規(guī)則表和隸屬表分別如表2和表3所示。
3 數(shù)學(xué)仿真
在MATLAB7.0/Simulink環(huán)境下,采用上述設(shè)計(jì)的帶修正因子的Fuzzy-PID控制系統(tǒng)應(yīng)用到飛行器俯仰、橫側(cè)、航向三通道的姿態(tài)控制中,并進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。系統(tǒng)仿真框圖如圖3所示。圖4給出了俯仰舵偏、俯仰角速率、迎角及俯仰角的仿真結(jié)果。圖5給出了偏航舵偏、側(cè)滑角、偏航角速率以及偏航角的仿真結(jié)果。圖6給出了滾轉(zhuǎn)舵偏、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角速率以及滾轉(zhuǎn)角的仿真結(jié)果。
設(shè)俯仰初始姿態(tài)角偏差為5°,偏航通道預(yù)定偏航角度為30°,滾轉(zhuǎn)初始姿態(tài)角偏差為5°。從系統(tǒng)仿真結(jié)果中可知,在初始階段姿態(tài)角偏差較大時(shí),飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)切換到模糊控制,控制量輸出較大,各通道均能夠在13 s之內(nèi)使姿態(tài)角偏差迅速減小至穩(wěn)態(tài)附近,姿態(tài)角速度在允許的范圍內(nèi),取得較好的控制效果。當(dāng)姿態(tài)角偏差在零附近或較小范圍變化時(shí),飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)切換至PID控制,三通道的姿態(tài)角穩(wěn)態(tài)精度均控制在5%以下,很好地解決了各種隨機(jī)干擾以及模型不精確等因素帶來的穩(wěn)態(tài)誤差。由此可以看出本文提出的控制方法集Fuzzy控制的優(yōu)點(diǎn)和PID控制的優(yōu)點(diǎn)于一體,能夠迅速減小姿態(tài)角偏差,具有很好的控制性能。
為了驗(yàn)證本文所提帶自動(dòng)修正因子的Fuzzy-PID控制方法的準(zhǔn)確性,本文以俯仰通道為例,與常規(guī)Fuzzy-PID控制進(jìn)行了對(duì)比,如圖4所示。在同一坐標(biāo)系下,可看出縱向控制系統(tǒng)在引入自動(dòng)修正因子n后,俯仰姿態(tài)角的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量都有大幅度減小,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間提高了20%,超調(diào)量減小了85%;系統(tǒng)過渡過程更加平穩(wěn),俯仰角速率的峰值也有所減小。由此可知帶自動(dòng)修正因子的Fuzzy-PID控制能夠有效改善飛行器姿態(tài)角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,比常規(guī)Fuzzy-PID控制更能適應(yīng)飛行器復(fù)雜飛行環(huán)境的要求。
4 結(jié)論
本文將Fuzzy控制和PID控制相結(jié)合,設(shè)計(jì)了帶自動(dòng)修正因子的Fuzzy-PID控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用到飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中。從仿真結(jié)果中可以看出該控制方法可以快速減小姿態(tài)角偏差。同時(shí),為了改善模糊控制器的控制性能,利用修正因子對(duì)模糊控制器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線修改,增強(qiáng)了參數(shù)在線自調(diào)整能力,穩(wěn)態(tài)誤差在5%以下,在抗干擾方面具有很好的效果,具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。
參考文獻(xiàn)
[1] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[2] 劉朝英,宋哲英,宋雪玲.MATLAB在模糊控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2001,18(3):11-14.
[3] SALIH A L.Modelling and PID controller design for a quadrotor unmanned air vehicle[J].IEEE AQTR.,2010,39(5):697-699.
[4] 陳向堅(jiān).微型飛行器姿態(tài)的智能控制方法研究[D].長(zhǎng)春:中國科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所),2012.
[5] 吳森堂,費(fèi)玉華.飛行控制系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2006.
[6] 彭曉華,屠興漢.求解模糊非線性系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(5):776-780.
[7] 張義捷,鐘友武,許得軍.基于模糊控制技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航天控制,2013(2):28-32.
[8] 汪書蘋,趙爭(zhēng)鳴.帶修正因子模糊PID控制的PMSM交流伺服系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(1):9-12.