【正文】 畢業(yè)設(shè)計說明書 模擬飛機速度控制系統(tǒng)的分析與仿真 I 摘 要 此次設(shè)計研究的內(nèi)容主要是圍繞模擬飛機控制系統(tǒng)，利用自動控制原理中的多種方法分析該控制系統(tǒng)的性能，比如系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動態(tài)性能，靜態(tài)性能以及它們之間的相互關(guān)系，并且運用 MATLAB 軟件對該控制系統(tǒng)進行仿真，直觀的分析系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的影響，來知道參數(shù)調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)具備良好的控制效果。 首先從時域角度出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的物理或者化學規(guī)律，得 到系統(tǒng)的微分方程，由微分方程經(jīng)過拉普拉斯變化解得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)或者閉環(huán)傳遞函數(shù)，然后求解閉環(huán)特征方程的特征方程和特征根，零極點的分布以及勞斯判據(jù)來分析判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，又有上升時間、超調(diào)量、峰值時間、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差這些指標來對比系統(tǒng)的性能。 其次根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，設(shè)計相應(yīng)的控制器，提高系統(tǒng)的性能。由于被控對象組成的閉環(huán)系統(tǒng)存在著靜態(tài)誤差，并且系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間比較長，超調(diào)量也不滿足要求，所以根據(jù)系統(tǒng)的情況設(shè)計了 PID 控制器 。在 Matlab 軟件中仿真之后，系統(tǒng)的性能指標得到提升，驗 證了 PID 控制器的有效性。另外根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能指標的影響，將系統(tǒng)的阻尼比調(diào)節(jié)到最佳阻尼比 ，進一步提升了系統(tǒng)的性能。 最后，根據(jù)系統(tǒng)中存在著參數(shù)不確定的情況，傳統(tǒng)控制方法很難設(shè)計控制器對于所有的參數(shù)都適用，所以設(shè)計了模糊控制器。由于模糊控制器不需要控制對象的精確模型，所以設(shè)計的模糊控制器對于所有的參數(shù)都實現(xiàn)了很好的效果，大幅度的提升了系統(tǒng)的性能。 在分析的過程中，使用了計算機技術(shù)的 MATLAB 軟件，該軟件可以比較方便地得到系統(tǒng)的根軌跡圖、階躍響應(yīng)圖和頻域分析的曲線，并且可以高效的對比系統(tǒng)各個參 數(shù)對系統(tǒng)時域特性和頻域特型的影響，通過這些對比，能夠加深對控制系統(tǒng)的認識和理解，對于系統(tǒng)的學習有著很大的幫助。 關(guān)鍵詞： 模擬飛機控制；穩(wěn)定性；模糊控制； MATLAB 軟件 II ABSTRACT The research content mainly around the simulation of aircraft control systems, using many methods of automatic control principle to analyze the performance of the control system, such as the stability of the system, dynamic performance, static performance and their relationships, using MATLAB software to simulate the control system and study the impacts of different parameters to the performance of the system, in order to adjust the parameters to obtain good control effect. First from the angle of the time domain, according to all aspects of the physical or chemical law in the system, the differential equations of the system can be obtained. Then the transfer function can be obtained after Laplace transform of the differential equations. And according to the eigenvalues of the closedloop characteristic equation, pole zero distribution and Routh criterion, we can analyze the stability of the system. Secondly, according to the transfer function of the system, design the controller and improve the performance of the system. Due to the closedloop system posed of the controlled object has the static error and system of regulating time is relatively long, overshoot also does not meet the requirements, so we design the PID controller to control the system. After the simulation of Matlab, the performance of the system is improved, and the validity of PID controller is verified. In addition, according to the influence of system parameters on the performance of the system, the damping ratio of the system is adjusted to the optimum damping ratio by , and the performance of the system is further improved. At last, according to the uncertain parameters of the system, the traditional control method is very difficult to design the controller for all the parameters, so the fuzzy controller is designed. Since the fuzzy controller does not need the precise model of the object, the fuzzy controller is designed for all the parameters to achieve a good effect, greatly improving the system performance. Matlab software of puter technology is used in the analysis of the process, the software can more easily get system root locus order and step response curve and frequency domain analysis, and high contrast of the system parameters on system characteristics in time domain and frequency domain contoured influence, through the parison, the understanding of the control system can be deepen, and has a great help for learning. III Key words： Simulation of aircraft control systems。 stability。 Fuzzy control。 MATLAB software IV 目 錄 1緒論 .......................................................... 1 研究背景 ................................................ 1 研究意義 ................................................ 2 研究內(nèi)容 ................................................ 2 2模擬飛機速度控制系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學模型 ...................... 4 模擬飛機速度控制系統(tǒng)工作原理 ............................ 4 飛機速度控制系統(tǒng)簡介 .............................. 4 飛機速度控制系統(tǒng)的基本組成部分及功能 .............. 4 模擬飛機速度控制的基本方案 ........................ 5 模擬飛機速度控制系統(tǒng)數(shù)學建模 ............................ 6 3模擬飛機速度控制系統(tǒng)性能分析及系統(tǒng)仿真 ........................ 9 系統(tǒng)時域分析方法及其性能指標 ............................ 9 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 ............................... 10 系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標 ............................... 11 系統(tǒng)的性能指標和系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系 ................... 11 高階系統(tǒng)分析方法 ................................. 14 飛機速度控制系統(tǒng)分析 ................................... 14 開環(huán)系統(tǒng)性能分析 ................................. 14 閉環(huán)系統(tǒng)性能分析 ................................. 15 4模擬飛機速度控制器設(shè)計及系統(tǒng)仿真 ............................. 17 PID 控制器設(shè)計 ......................................... 17 控制器簡介 .................................... 17 PID 控制器經(jīng)典電路 ............................... 18 PID 控制 器中三個系數(shù)的作用 ....................... 21 加入 PID 控制器后的系統(tǒng)仿真 ....................... 21 模糊控制器設(shè)計 ......................................... 24 模糊控制器基本理論 ............................... 24 模糊控制器設(shè)計步驟 ............................... 27 量化因子和比例因子對系統(tǒng)性能的影響 ............... 28 利用模糊控制器控制飛機 速度控制 ................... 28 兩種控制器的控制效果比較 ................................... 30 V 結(jié)束語 ......................................................... 32 參考文獻 .............................................................................................................. 33 致 謝 .................................................................................................................. 36 1 1 緒論 研究背景 目前，高超音速飛行器是世界大國正在潛心研究的熱門軍事武器。其中，高超音速，是指飛行器的速度高于音速五倍以上，大約為每小時飛行器的移動的距離為 6000 公里。高超音速飛行器不僅僅指飛機，它主要包括三個大類，第一類是高超音速的巡航導彈，第二類是高超音速的飛機，第三類是高超音速的航天飛機。 高超音速飛行器的速度十分快，除此之 外，飛行器的軌跡也沒有規(guī)律，難以預測，所以用 相應(yīng) 的攔截系統(tǒng)難以攔截。 高超音速飛行器的動力由高超音速沖壓發(fā)動機提供，它的技術(shù)原理十分復雜，同時具有高要求的氣動外形，所以研究起來十分困難，解決飛行器