【文章內容簡介】 穩(wěn)態(tài)誤差減小。故應始終加強積分作用，而適當引入微分作用，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，說明此時的系統(tǒng)輸出正趨于希望值。如果再加強積分作用，勢必造成控制作用過強，而出現(xiàn)回調，故應適當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，說明此時的系統(tǒng)輸出背離希望值。此時應始終加強積分作用，而適當引入微分作用。 PID控制算法 為滿足本系統(tǒng)的高性能指標，必須兼顧動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性：響應速度快 (協(xié) 調時間短 )、穩(wěn)態(tài)精度高 (可以飽精度跟蹤一定的信號、無穩(wěn)態(tài)誤差 )、動態(tài)性能好 (階 躍響應超調小、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)的目標是保證系統(tǒng)響應的快速性，提供足夠的控制量，使系統(tǒng)能夠快速進入小誤差區(qū)；小誤差區(qū)的設計目標是追求系統(tǒng)的精度，使得系統(tǒng)在進入小誤差區(qū)后不會再退出到大誤差區(qū)。 （ 1）大誤差區(qū)的設計： 該區(qū)的任務是提供足夠大的控制量，保證系統(tǒng)能快速進入小誤差區(qū)，為此采用一種柔化的 BangBang控制。常規(guī) BangBang控制的引入對系統(tǒng)的快速性有明顯改善，但只有單一的控制量，有時要保證系統(tǒng)能跟蹤較高的速度信號， BangBang控制取的比 較大，這樣使得系統(tǒng)在跟蹤階躍時容易產(chǎn)生超調，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控制相結合的控制律。“柔化的 Bang～ Bang”控制量的一部分根據(jù)輸入信號的變化率△ y求取，可保證系統(tǒng)跟蹤速度、加速度信號的快速性?！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；同時若將柔化 Bnag— Bang控制量作為小誤差區(qū)積分的初值，可以實現(xiàn)控制量的無擾切換，消除系統(tǒng)的振蕩。 （ 2）小誤差區(qū)的設計： 小誤差區(qū)的主要任務是保證系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)在進入小誤差區(qū)后就不允許系統(tǒng)再進入大誤差區(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。 具體的智能控制規(guī)則如下： a．智能 PID控制根據(jù)據(jù)誤差的絕對值的大小，判別系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，調整 控制策略。 b．積分初值 ui0，大小為大誤差區(qū)到小誤差區(qū)切換點的柔化 Bang— Bang控制量。 普通積分方法其初值為零，這樣必然導致開始時控制量過小而不能發(fā)揮積分的作用， 在一段時間后控制量又過大．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，同時實現(xiàn)了無擾切換。 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)又分為若干個誤差帶，分別采用不同的控制策略使系統(tǒng)同時具有良好的動態(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)剛進小誤差區(qū)時速度比較大，因此系統(tǒng)在進小誤差區(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；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，因此要適當?shù)募哟蟊壤南禂?shù)，加強比例控制的作用：對積分控制，系統(tǒng)進入小誤差區(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)剛進小誤差區(qū)時，積分也取得比較小，以兼顧系統(tǒng)的動態(tài)品質，隨著誤差的減小，加強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，只需調整三個系數(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)。通過實際的調試表明該方法能在很大程度 上縮短調試時間，取得滿意的效果。 13 第四章 縱向控制系統(tǒng)的分析與設計 4． 1飛行控制系統(tǒng)結構分析 從硬件來看，無人機的飛控系統(tǒng)有飛控計算機、測定裝置和私服裝置三部分組成。 飛控計算機是無人機飛控系統(tǒng)的核心設備，主要功能是根據(jù)輸入的傳感器信息、存儲的相關狀態(tài)和數(shù)據(jù)以及無線電測控終端發(fā)過來的上行遙控指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷、運算和處理之后，輸出指令給私服裝置。 測定裝置主要負責測量無人機相關的狀態(tài)信息，一般無人機的測量裝置包括三軸轉向角速度陀螺、垂直陀螺、磁航向傳感器、氣壓高度和高度差傳感器、真實空速傳感器、迎角和偏航角傳感器、發(fā)動機轉速傳感器等等。 伺服系統(tǒng)是以舵機為執(zhí)行元件的隨動系統(tǒng)，它是影響飛控系統(tǒng)帶寬的主要環(huán)節(jié)。 通常，無人機的飛行控制系統(tǒng)有俯仰、航向和橫滾三個控制通道，每個通道由一個控制面控制，但在橫滾和航向之間常常有交聯(lián)，設計自動駕駛儀一般就要考慮各通道的獨立性和關聯(lián)性?？刂圃龇€(wěn)系統(tǒng)的設計一般都是按照縱向和橫側向分開進行的、因 此，在此基礎上設計自動駕駛儀也要相應地分開，分別設計縱向通道和橫側向自動駕駛儀?？v向通道可以穩(wěn)定與控制飛機的俯仰角、高度、速度等；橫側向通道可以穩(wěn)定與控制飛機的航向角、傾斜角、偏航距離等。控制飛機的這些不同的變量，就對應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，滾轉角 )保持、航向保持、自動改平、低高度拉起和高度保持等功能。 控制律 的設計方案 的控制 整個俯仰角控制系統(tǒng)的原理結構框圖如圖所示。從圖中我們可以看到，整個控制系統(tǒng)是由外回路 (俯仰角反饋回路 )和內回路 (俯仰角速率反饋回路 )構成的。 其中，內回路中的俯仰角速率信號由俯仰角速率陀螺提供 。外回路中的俯仰角信號由垂直陀螺提供。內回路中俯仰角速率反饋的引入相當于改變了無人機的縱向阻尼導數(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 :外回路則構成了俯仰角穩(wěn)定回路，可以改善無人機長周期模態(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)原理結構圖 圖中 ，在阻尼回路中還包括了一個洗出網(wǎng)絡，如果沒有這個網(wǎng)絡，當操縱飛機做穩(wěn)態(tài)拉起的機動飛行時，阻尼器輸出的穩(wěn)態(tài) w2信號就會成為阻礙因素，而使這種機動飛行難以完成。洗出網(wǎng)絡的作用就是在飛機穩(wěn)態(tài)拉起時或穩(wěn)態(tài)等高盤旋時，將阻尼器信號清除掉。 這樣 ， 整個無人機俯仰角控制系統(tǒng)控制律的結構就如圖所示。圖中， ? 為給定的指令信號， ?為垂直陀螺測得的俯仰角信號 ， ω2為俯仰角速度陀螺測得的俯仰角速度信號。綜上，其控制律可以表示成u=K2?( ? ? ?)? K2ω2 ω2 當采用 PID控制時， K2? = Kp + Ki (1s) + K s + ? ? δ2 ω2 圖 俯仰角 控制律結構圖 在實際工程中，微分環(huán)節(jié)通常用一個高通濾波器 s s:1來實現(xiàn)，我們 控制器 舵機 無人機 高通濾波器 俯仰角素的反饋 俯仰角反饋 K2? 舵機 縱向控制模型 K2ω2 15 通過選擇 適當?shù)?τ值，就可以獲得相應的相位超前信號。從頻率特性來看，高通網(wǎng)絡是一個阻低頻通高頻的網(wǎng)絡，同時它也是一個能提供相位超前的網(wǎng)絡，因此，我們就可以把高通濾波器看成是一個微分網(wǎng)絡。其中 1/τ的值越大，相位超前也就越大，我們所獲得的信號也就越近似于微分信號。我們在后面的無人機縱 1句與橫側向飛行控制律的