【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 11 穩(wěn)態(tài)誤差減小。故應(yīng)始終加強(qiáng)積分作用，而適當(dāng)引入微分作用，比例作用始終起作用。 (3)CD階段 在這一段中， e0,e0,即誤差 |e|向減小的方向變化，說明此時(shí)的系統(tǒng)輸出正趨于希望值。如果再加強(qiáng)積分作用，勢(shì)必造成控制作用過強(qiáng)，而出現(xiàn)回調(diào)，故應(yīng)適當(dāng)引入積分和微分作用。 （ 3） DE階段 在這一段中， e0 ， e0，即誤差 |e|向增大的方向變化，說明此時(shí)的系統(tǒng)輸出背離希望值。此時(shí)應(yīng)始終加強(qiáng)積分作用，而適當(dāng)引入微分作用。 PID控制算法 為滿足本系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，必須兼顧動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性：響應(yīng)速度快 (協(xié) 調(diào)時(shí)間短 )、穩(wěn)態(tài)精度高 (可以飽精度跟蹤一定的信號(hào)、無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差 )、動(dòng)態(tài)性能好 (階 躍響應(yīng)超調(diào)小、振蕩次數(shù)少 )。因此宏觀上根據(jù)系統(tǒng)誤差分為大誤差區(qū)和小誤差區(qū)。 大誤差區(qū)的目標(biāo)是保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，提供足夠的控制量，使系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入小誤差區(qū)；小誤差區(qū)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是追求系統(tǒng)的精度，使得系統(tǒng)在進(jìn)入小誤差區(qū)后不會(huì)再退出到大誤差區(qū)。 （ 1）大誤差區(qū)的設(shè)計(jì)： 該區(qū)的任務(wù)是提供足夠大的控制量，保證系統(tǒng)能快速進(jìn)入小誤差區(qū)，為此采用一種柔化的 BangBang控制。常規(guī) BangBang控制的引入對(duì)系統(tǒng)的快速性有明顯改善，但只有單一的控制量，有時(shí)要保證系統(tǒng)能跟蹤較高的速度信號(hào)， BangBang控制取的比 較大，這樣使得系統(tǒng)在跟蹤階躍時(shí)容易產(chǎn)生超調(diào)，而且該控制量與小誤差區(qū)界面控制量不連續(xù)，易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。 選用的“柔化的 BangBang控制”，是比例控制和變形的 Bang—Bang控制相結(jié)合的控制律?！叭峄?Bang～ Bang”控制量的一部分根據(jù)輸入信號(hào)的變化率△ y求取，可保證系統(tǒng)跟蹤速度、加速度信號(hào)的快速性?！叭峄?Bang— Bang控制”與普通的 Bang— Bang控制相比，它的控制量隨誤差和輸入信號(hào)變化而變化，在小誤差區(qū)界面的控制量并不大，可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)；同時(shí)若將柔化 Bnag— Bang控制量作為小誤差區(qū)積分的初值，可以實(shí)現(xiàn)控制量的無(wú)擾切換，消除系統(tǒng)的振蕩。 （ 2）小誤差區(qū)的設(shè)計(jì)： 小誤差區(qū)的主要任務(wù)是保證系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)在進(jìn)入小誤差區(qū)后就不允許系統(tǒng)再進(jìn)入大誤差區(qū)。為了提高系統(tǒng)精度，又將本區(qū)分為多 12 個(gè)小區(qū)。小誤差區(qū)的控制律為： U=Kpe + + K e，其中 K 為微分系數(shù)，Kp為比例系數(shù)， U為智能積分項(xiàng)。 具體的智能控制規(guī)則如下： a．智能 PID控制根據(jù)據(jù)誤差的絕對(duì)值的大小，判別系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整 控制策略。 b．積分初值 ui0，大小為大誤差區(qū)到小誤差區(qū)切換點(diǎn)的柔化 Bang— Bang控制量。 普通積分方法其初值為零，這樣必然導(dǎo)致開始時(shí)控制量過小而不能發(fā)揮積分的作用， 在一段時(shí)間后控制量又過大．引起積分滯后。而在本系統(tǒng)中這樣做使得積分作用一開始就得以充分發(fā)揮，加快了積分過程，起到了盡快消差的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾切換。 c．比例、積分、微分系數(shù)的整定規(guī)則，在智能 PID控制中，這三個(gè)系數(shù)的變化 最能體現(xiàn)智能的概念。為追求高性能，將小誤差區(qū)又分為若干個(gè)誤差帶，分別采用不同的控制策略使系統(tǒng)同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能。 由于大誤差區(qū)的控制量比較大，系統(tǒng)剛進(jìn)小誤差區(qū)時(shí)速度比較大，因此系統(tǒng)在進(jìn)小誤差區(qū)后， 比例控制取得比較小，以減小控制量，避免產(chǎn)生大的超調(diào)；之后隨著誤差的減小，比例控制減弱，不利于系統(tǒng)跟蹤高速度、高加速度的信號(hào)，因此要適當(dāng)?shù)募哟蟊壤南禂?shù)，加強(qiáng)比例控制的作用：對(duì)積分控制，系統(tǒng)進(jìn)入小誤差區(qū)后，必須引入積分以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。同樣的系統(tǒng)剛進(jìn)小誤差區(qū)時(shí)，積分也取得比較小，以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，隨著誤差的減小，加強(qiáng)積分作用以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。比例、積分、微分系數(shù)按照某種事先確定的規(guī)則變化，只需調(diào)整三個(gè)系數(shù)的初值和變化規(guī)則，就能比較容易的找到一組適合本系統(tǒng)的系數(shù)。通過實(shí)際的調(diào)試表明該方法能在很大程度 上縮短調(diào)試時(shí)間，取得滿意的效果。 13 第四章 縱向控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 4． 1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 從硬件來看，無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)有飛控計(jì)算機(jī)、測(cè)定裝置和私服裝置三部分組成。 飛控計(jì)算機(jī)是無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要功能是根據(jù)輸入的傳感器信息、存儲(chǔ)的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)以及無(wú)線電測(cè)控終端發(fā)過來的上行遙控指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷、運(yùn)算和處理之后，輸出指令給私服裝置。 測(cè)定裝置主要負(fù)責(zé)測(cè)量無(wú)人機(jī)相關(guān)的狀態(tài)信息，一般無(wú)人機(jī)的測(cè)量裝置包括三軸轉(zhuǎn)向角速度陀螺、垂直陀螺、磁航向傳感器、氣壓高度和高度差傳感器、真實(shí)空速傳感器、迎角和偏航角傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等等。 伺服系統(tǒng)是以舵機(jī)為執(zhí)行元件的隨動(dòng)系統(tǒng)，它是影響飛控系統(tǒng)帶寬的主要環(huán)節(jié)。 通常，無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)有俯仰、航向和橫滾三個(gè)控制通道，每個(gè)通道由一個(gè)控制面控制，但在橫滾和航向之間常常有交聯(lián)，設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀一般就要考慮各通道的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性。控制增穩(wěn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般都是按照縱向和橫側(cè)向分開進(jìn)行的、因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀也要相應(yīng)地分開，分別設(shè)計(jì)縱向通道和橫側(cè)向自動(dòng)駕駛儀?？v向通道可以穩(wěn)定與控制飛機(jī)的俯仰角、高度、速度等；橫側(cè)向通道可以穩(wěn)定與控制飛機(jī)的航向角、傾斜角、偏航距離等?？刂骑w機(jī)的這些不同的變量，就對(duì)應(yīng)了駕駛儀不同的功能模塊。根據(jù)所控制的狀態(tài)量，可以完成姿態(tài) (俯仰角，滾轉(zhuǎn)角 )保持、航向保持、自動(dòng)改平、低高度拉起和高度保持等功能。 控制律 的設(shè)計(jì)方案 的控制 整個(gè)俯仰角控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。從圖中我們可以看到，整個(gè)控制系統(tǒng)是由外回路 (俯仰角反饋回路 )和內(nèi)回路 (俯仰角速率反饋回路 )構(gòu)成的。 其中，內(nèi)回路中的俯仰角速率信號(hào)由俯仰角速率陀螺提供 。外回路中的俯仰角信號(hào)由垂直陀螺提供。內(nèi)回路中俯仰角速率反饋的引入相當(dāng)于改變了無(wú)人機(jī)的縱向阻尼導(dǎo)數(shù)，增加了它的縱向阻尼，從而使其短周期模態(tài)的阻尼特性得到了改善 :外回路則構(gòu)成了俯仰角穩(wěn)定回路，可以改善無(wú)人機(jī)長(zhǎng)周期模態(tài)的阻尼特性。通常，還需要加入俯仰速率限幅以限制過載 。在俯仰角指令入口處，要加上俯仰角限幅 。如引入俯 14 仰角加速度的話，還可以達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。 俯仰 指令 + 升降舵指令 圖 俯仰角姿態(tài)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 圖中 ，在阻尼回路中還包括了一個(gè)洗出網(wǎng)絡(luò)，如果沒有這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)操縱飛機(jī)做穩(wěn)態(tài)拉起的機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，阻尼器輸出的穩(wěn)態(tài) w2信號(hào)就會(huì)成為阻礙因素，而使這種機(jī)動(dòng)飛行難以完成。洗出網(wǎng)絡(luò)的作用就是在飛機(jī)穩(wěn)態(tài)拉起時(shí)或穩(wěn)態(tài)等高盤旋時(shí)，將阻尼器信號(hào)清除掉。 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)就如圖所示。圖中， ? 為給定的指令信號(hào)， ?為垂直陀螺測(cè)得的俯仰角信號(hào) ， ω2為俯仰角速度陀螺測(cè)得的俯仰角速度信號(hào)。綜上，其控制律可以表示成u=K2?( ? ? ?) ? K2ω2 ω2 當(dāng)采用 PID控制時(shí)， K2? = Kp + Ki (1s) +K s + ? ? δ2 ω2 圖 俯仰角 控制律結(jié)構(gòu)圖 在實(shí)際工程中，微分環(huán)節(jié)通常用一個(gè)高通濾波器 s s:1來實(shí)現(xiàn)，我們 控制器 舵機(jī) 無(wú)人機(jī) 高通濾波器 俯仰角素的反饋 俯 仰 角反饋 K2? 舵機(jī) 縱向控制模型 K2ω2 15 通過選擇 適當(dāng)?shù)?τ值，就可以獲得相應(yīng)的相位超前信號(hào)。從頻率特性來看，高通網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)阻低頻通高頻的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)它也是一個(gè)能提供相位超前的網(wǎng)絡(luò)，因此，我們就可以把高通濾波器看成是一個(gè)微分網(wǎng)絡(luò)。其中 1/τ的值越大，相位超前也就越大，我們所獲得的信號(hào)也就越近似于微分信號(hào)。我們?cè)诤竺娴臒o(wú)人機(jī)縱 1