【正文】 ，我們通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)?值，就可以獲得相應(yīng)的相位超前信號(hào)。通常有兩種方法可以有效的避免這種現(xiàn)象的發(fā)生 :一種方法是當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到最大位置時(shí)積分停止，不再繼 續(xù)累加 。 下面，我們以某無(wú)人機(jī)在高高空某一狀態(tài)點(diǎn) E(H=17194m， V=)為例，說(shuō)明無(wú)人機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的選取過(guò)程。根據(jù)上圖，我們就可以利用 MATLAB 提供的 rlocus 函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)阻尼回路的開環(huán)傳函畫出其根軌跡圖。圖 即為無(wú)人機(jī)基于 PID 控制的俯仰角控制系統(tǒng)的 simulink 仿真框圖。振蕩周期 =. 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 28 圖 47 K= 3)根據(jù)利用表 33給出的衰減曲線法整定計(jì)算公式，求 圖 48 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ E點(diǎn)） 從圖中可知，其超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間 。全部仿真結(jié)果分別如下所示 : 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 30 圖 410 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ A點(diǎn)） 圖 410 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ B點(diǎn)） 圖 410 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ C點(diǎn)） 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 31 圖 410 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ D點(diǎn)） 圖 410 PID下俯仰角階躍響應(yīng)（ F點(diǎn)） 高度保持 /控制模態(tài)控制律的設(shè)計(jì)與仿真 高度控制屬于飛機(jī)的重心控制，在飛機(jī)的編隊(duì)飛行、執(zhí)行轟炸任務(wù)、遠(yuǎn)距離巡航及進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)的初始階段等都要保持高度的穩(wěn)定。由于慣性的作用，飛行速度的變化是緩 慢的，故高度變化的過(guò)渡過(guò)程也是緩慢的。 圖 411 高度控制系統(tǒng)原理框圖 這樣，整個(gè)無(wú)人機(jī)俯高度控制系統(tǒng)的控制律的結(jié)構(gòu)就如圖 412 所示。 在實(shí)際系統(tǒng)中，我們通常還需要加入俯仰角指令限幅器。全部仿真結(jié)果分別如下所示 : 圖 414 PID控制下高度階躍響應(yīng)（ A點(diǎn)） 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 35 圖 415 PID控制下高度階躍響應(yīng)（ B點(diǎn)） 圖 416 PID控制下高度階躍響應(yīng)（ C點(diǎn)） 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 36 圖 417 PID控制下高度階躍響應(yīng)（ D點(diǎn)） 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 37 結(jié) 論 本文以某型固定翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，主要研究了其飛控系統(tǒng)控制律的設(shè)計(jì)問(wèn)題，分別設(shè)計(jì)了基于常規(guī) PID 控制和智能 PID 控制策略的飛行控制律，并進(jìn)行了大量的仿研究。因此，本文在很多方而還有待于進(jìn)一步的探討和完善，主要包括以下兒個(gè)方面 : (1)本文中所涉及到的關(guān)于無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)系、模型和符號(hào)均是建立在前蘇聯(lián)坐標(biāo)體制下，今后的工作是將其全部轉(zhuǎn)換到英美體制下，與國(guó)際接軌。他嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、忘我的工作作風(fēng)和寬厚待人的品德是我終生學(xué)習(xí)的榜樣。 SPACE 31 Mare of Nonlinear Flight Control of (4) 32 and Logic Implementation of Proportional Navigation :1724 33 Yan and Contrillers for Aircraft Using Minimal Resource Allocating Networks(MRAN).SpringVerlag :172183 34 and Helicopter stationkeeping:ping LQR,fuzzylogic and neural controllers,Engineering Applicationa of Artificial Intelligence,1998:411418 35 and Siva simulation of a modified F16 with fullenvelope Engineering :309320 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 41 附錄 I 參數(shù)符號(hào) 附表 I1各參數(shù)名稱及意義 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 42 附錄Ⅱ 無(wú)人機(jī)縱向各狀態(tài)點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)線性化方程 已知無(wú)人機(jī)的狀態(tài)方程的表達(dá)式為：則對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)而言，中空 。 他淵博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn) 踏實(shí)的科研作風(fēng)和敬業(yè)精神深深地感染了我，使我鍛煉了獨(dú)立從事科研工作的能力，學(xué)到探求知識(shí)的方法和謙虛謹(jǐn)慎的為人處世態(tài)度。 本文是在無(wú)人機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)性的 探索研究。無(wú)人機(jī)基于 PID 控制的高度控制系統(tǒng)的 Simulink 仿真框圖如圖 所示 :(己知輸入的高度指令階躍信號(hào)為 50m) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 34 圖 413 基于 PID的高度控制系統(tǒng)仿真框圖 如前文所述，我們?nèi)砸灾锌蘸透呖沼蛑械臓顟B(tài)點(diǎn) A 和 C 作為基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了基于常規(guī) PID 和智能 PID 的高度控制器。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)給定高度時(shí)，由于速度向量不在水平位置而超越給定高度，出現(xiàn)正的高度差，到了這時(shí)舵機(jī)向下偏轉(zhuǎn)，這樣就不可避免地出現(xiàn)在給定高度線上的振蕩運(yùn)動(dòng)。圖中，作為內(nèi)回路的俯仰角反饋系統(tǒng)對(duì)于高度保持系統(tǒng)起了很好的阻尼作用，可以在 一定程度上減小系統(tǒng)的振蕩，增加穩(wěn)定性。 原則上講，可以通過(guò)控制升降舵或控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小來(lái)控制飛行高度。 根據(jù)表 41，我們分別針對(duì)中空和高空域內(nèi)的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn) A和 C設(shè)計(jì)了 PID控制器。 2)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)。至此，無(wú)人機(jī)阻尼回路的參數(shù)設(shè)計(jì)完畢。圖 給出了無(wú)人機(jī)在高高空 E 點(diǎn)處俯仰角控制系統(tǒng) PID 控制結(jié)構(gòu)圖。另一種方法則是從最內(nèi)層開始分部選取。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)受限，當(dāng)積分值大到一定程度，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到最大位置后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就不再變化了，而是一直停留在當(dāng)前的位置，即使系統(tǒng)輸出一直在變化，這樣反饋通道就被破壞了。 這樣，整個(gè)無(wú)人機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)控制律的結(jié)構(gòu)就如圖 .42 所示?；谏鲜鲞@些特性，俯仰姿態(tài)保持本省其 實(shí)并不是十分重要，但它卻是飛控系統(tǒng)中高度保持、自動(dòng)著陸等其它模態(tài)的內(nèi)回路。另外，這里還有一點(diǎn)要特別說(shuō)明的是，在高高空領(lǐng)域內(nèi)， E 點(diǎn)為我們所選取的針對(duì)縱向系統(tǒng)的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)， G 點(diǎn)為針對(duì)橫側(cè)向系統(tǒng)的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)。針對(duì)橫側(cè)向系統(tǒng)，則先研究了傾斜姿態(tài)保持 /控制模態(tài)控制律的設(shè)計(jì)，然后對(duì)航向保持 /控制模態(tài)下控制律的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了探討。 一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)通常包括俯仰、航向和橫滾三個(gè)控制通道 (有的系統(tǒng)只包括俯仰通道和橫滾通道 )，每個(gè)通道都由一個(gè)控制面來(lái)控制。 通常而言，我們要想控制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)必須首先考慮控制它的角運(yùn)動(dòng)，使其姿態(tài) 發(fā)生變化，然后才能使它的重心軌跡發(fā)生相應(yīng)的變化。 舵回路 (伺服系統(tǒng) )是以舵機(jī)為執(zhí)行元件的、由若干部件組成的隨動(dòng)系統(tǒng)，它是影響飛控系統(tǒng)帶寬的主要環(huán)節(jié)。為簡(jiǎn)單起見，我們可以假定有某種線性關(guān)系，記作 ，這樣我們就可以得出一族解為： ，且 的值則可以通過(guò)下式得到： 在本文后面的飛行控制律的設(shè)計(jì)中，我們將采用這種方法對(duì)常規(guī) PID參數(shù)進(jìn) 行整定，并以此作為智能 PID控制器參數(shù)初始值的依據(jù)。采用臨界比例度法時(shí)，系統(tǒng)需得到臨界振蕩的條件是系統(tǒng)必須是 3階或 3 階以上的 。這些方法主要包括：改進(jìn)的 Ziegle Nichols方法、預(yù)測(cè)性 PI 控制器算法、相角，幅值裕度設(shè)定方法、最優(yōu) PID 控制器設(shè)計(jì)方法和基于靈敏度的設(shè)計(jì)方法等等。對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，總體的趨勢(shì)是由強(qiáng)到弱。 智能控制所研究的內(nèi)容是很廣泛的，通常包括基于知識(shí)推理專家控制、基于規(guī) 則的自學(xué)習(xí)控制、基于聯(lián)結(jié)機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于模糊邏輯的智能控制和仿人智能控制等。 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 15 3 控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ) PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)以及可靠 性高等特點(diǎn)，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。己知狀態(tài)方程的表達(dá)式為，則對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)而言 : 對(duì)于橫側(cè)向向運(yùn)動(dòng)而言 : 于是，無(wú)人機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)與橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)方程就分別如式 ()和式 () 所示： 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 14 上面所得到的無(wú)人機(jī)線性化狀態(tài)方程可以作為我們進(jìn)行控制 器設(shè)計(jì)和仿真的基礎(chǔ)，本文所做的一些仿真研究都是在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。通過(guò)限制各個(gè)變量的數(shù)值大小或假設(shè)它們同特定的工作狀態(tài)偏移很小，我們可以對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行線性化。例如，飛行速度，旋翼轉(zhuǎn)速，高度等。由馬赫數(shù)、高度得到總速，進(jìn)而由攻角和側(cè)滑角得到氣流軸系的速度，也即無(wú)風(fēng)條件下的地速；由馬赫數(shù)、高度和姿態(tài)角還可插值得到各動(dòng)導(dǎo)數(shù)，從而得到氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩，在無(wú)動(dòng)力飛行的情況下即為總的力和矩，再 由慣性矩和慣性積即可推得角加速度。一旦參數(shù)確定之后，我們就可以通過(guò)較精確的全通運(yùn)動(dòng)的計(jì)算或通過(guò)實(shí)物模擬與試飛來(lái)加以考驗(yàn)。由于這些方程式描述的運(yùn)動(dòng)是圍繞飛機(jī)橫側(cè)方向 (側(cè)移、滾動(dòng)和偏航 )而進(jìn)行的。 I)一 ()中的 分別表示作用在無(wú)人機(jī)上的合力在各機(jī)體 于是 這里還需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，在實(shí)際應(yīng)用中我們往往不把機(jī)體軸上的速度分量 Y39。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 8 向量與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系 1)迎角 (角 )α速度向量 V在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)的投影，與 軸之的夾角，以 V 的投影在軸之下為正； 2)側(cè)滑角β：速度向量 V與飛機(jī)對(duì)稱平面之間的夾角，以 V處于對(duì)稱平面之右正 飛機(jī)速度向量與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系 1）航跡傾斜角θ：速度坐標(biāo)系中 OXq軸與地平面的夾角，以速度向上為正； 2）航跡偏轉(zhuǎn)角 ： 軸在地平面內(nèi)的投影與的夾角 ，以 為投影，左偏為正。一般取縱軸為飛機(jī)的應(yīng)飛航線。在設(shè)計(jì)方法上，我們充分利用了根軌跡分析法和頻域分析法等經(jīng)典控制理論對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行了選取，從而設(shè)計(jì)出了符合要求的 PID 控制器。例如 2021 年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了一種新型的無(wú)人機(jī)，其平臺(tái)形狀像一顆鉆石，稱“傳感飛行器”無(wú)人機(jī)。將無(wú)人機(jī)作為誘餌飛機(jī)使用， 有兩種好處：首先可以引誘敵方雷達(dá)開機(jī)，使己方迅速掌握敵方的雷達(dá)頻率和陣 地位置，為后續(xù)的反輻射武器提供參數(shù)。這種偵察球增強(qiáng)了偵察時(shí)的隱蔽性。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和完善，無(wú) 人機(jī)必將充斥未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)。 受到了各國(guó)的重視。 無(wú)人機(jī)尺寸小 ， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可大面積采用雷達(dá)反射特征與紅外輻射特征小的材料制造 ,在結(jié)構(gòu)與總體布局上可采取 隱形 措施 ， 在小發(fā)動(dòng)機(jī)上可采取消音措施 。 中小型無(wú)人機(jī)價(jià)格范圍都在 1 萬(wàn)～ 100 萬(wàn)美元之間 ， 其中有 24 %的無(wú)人機(jī)在 10 萬(wàn)美元以下 ， 65%的在 10 萬(wàn)～ 40 萬(wàn)美元之間 ， 而且有不少小型無(wú)人機(jī)在 1萬(wàn)美元以下 。 中國(guó)無(wú)人機(jī)的研究始于 50年代后期， 1959 年已基本摸索出安 2和伊爾 28 兩種飛機(jī)的自動(dòng)起降規(guī)律。無(wú)人機(jī)的飛速發(fā)展是在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，以美國(guó)為首的多國(guó)部隊(duì)的無(wú)人機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中成功地完成了戰(zhàn)場(chǎng)偵察、火炮校射、通信中繼和電子對(duì)抗任務(wù)。對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，其自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無(wú)人機(jī)各項(xiàng)性能 (包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠 性能、系統(tǒng)的自動(dòng)化性和可維護(hù)性等 )。一直到 1921年英國(guó)才研制成可付諸實(shí)用的第一駕靶機(jī)。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 1 1 緒 論 本章先主要介紹了無(wú)人機(jī)進(jìn)無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及這篇文章的主要內(nèi)容安排。這是一架無(wú)線電操縱的小型單翼機(jī)，由于當(dāng)時(shí)的許多技術(shù)問(wèn)題，所以試驗(yàn)失敗。 由于無(wú)人機(jī)具有低成本、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn) ,因此深受世界各國(guó)軍隊(duì)的廣泛歡迎，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。在 1982 年的中東戰(zhàn)爭(zhēng)中 ,以色列陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 2 在貝卡谷地交戰(zhàn)中，用 “ 偵察兵 ” 和 “ 猛犬 ” 無(wú)人機(jī)誘騙敘軍的地空導(dǎo)彈的制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)，偵查獲取了雷達(dá)的工作參數(shù)并測(cè)定了其所在位置。無(wú)人機(jī)按其用途和性能確定其屬性和全稱，如 ： 靶標(biāo)無(wú)人機(jī)、偵察無(wú)人機(jī)、無(wú)人誘餌機(jī)、電子對(duì)抗無(wú)人機(jī)、攻擊無(wú)人機(jī)、戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī) ； 長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、超音速無(wú)人機(jī)、微型無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)等。 (2)費(fèi)用低 。 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)仿真研究 3 (4) 隱蔽性好 。 無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 無(wú)人機(jī)以制造成本與壽命周期費(fèi)用低、無(wú)人員損失