無(wú)人機(jī)縱向自動(dòng)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)-資料下載頁(yè)
2025-01-16 17:29本頁(yè)面
【正文】 性能。因此，如果我們要想在 F點(diǎn)也取得較好的控制性能的話，必須考慮在該點(diǎn)重新設(shè)計(jì) PID控制器，這樣無(wú)疑會(huì)增加我們很多工作量。 我們來(lái)看一下智能 PID控制的效果。首先針對(duì) E點(diǎn)采用表中的控制規(guī)則設(shè)計(jì)了一個(gè)智能 PID控制器 并進(jìn)行仿真，然后，再將所設(shè)計(jì)好的智能PID控制器用于 F點(diǎn)，得到的俯仰角階躍響應(yīng)曲線分別下圖所示。 21 圖 智能 PID俯仰角階躍響應(yīng)（ E點(diǎn)） 圖 智能 PID俯仰角階躍響應(yīng)（ F點(diǎn)） 通過(guò)比較可知，常規(guī) PID有一定的魯棒性，當(dāng)當(dāng)對(duì)象模型發(fā)生變化時(shí)，其控制性還是會(huì)受到較大程度的影響，并且很難兼顧穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。因此，智能 PID的優(yōu)越之處 很明顯，不但有力地抑制了超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短了。 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。無(wú)人機(jī)的高度保持與控制是不能僅靠其俯仰角的穩(wěn)定與控制來(lái)完成的。當(dāng)飛機(jī)受到縱向常值干擾力矩時(shí)，硬反饋式角穩(wěn)定系統(tǒng)存在著俯仰角及航跡傾斜角靜差，角穩(wěn)定系統(tǒng)雖能保持飛行器在垂風(fēng)氣流作用下的俯仰角穩(wěn)定，但幾秒鐘后飛行速度向量將偏離原方向，產(chǎn)生高度漂移。另外，在俯仰角穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，如果航跡傾斜角變化量平均值不為零，也會(huì)引起飛行高度的改變。所以高度保持系統(tǒng)需要有測(cè)量相對(duì)于給定高度偏差的測(cè)量裝置 — 高度差 傳感器，如氣壓高度表、無(wú)線電高度表和大氣數(shù)據(jù)傳感器等。將高度偏差信號(hào)輸入俯仰角控制系統(tǒng)，控制飛機(jī)的姿態(tài)，改變飛機(jī)航跡傾斜角，控制飛機(jī)的升降，直至至高度差為零，使飛機(jī)回到預(yù)定高度。 高度傳感器信號(hào) 圖 高度控制系統(tǒng)原理圖 控制器 俯仰內(nèi)回路 無(wú)人機(jī) 高度微分反饋 高度反饋 22 ω2 圖 高度系統(tǒng)控制律 對(duì)于高度控制回路而言，高度偏差信號(hào)和高度變化率的反饋，可以滿足在一個(gè)飛行狀態(tài)高度階躍響應(yīng)的要求，然而考慮到無(wú)人機(jī)在整個(gè)包線范圍內(nèi)不同的平衡狀態(tài)變化，我們還需要加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，以保證無(wú)人機(jī)的無(wú)靜差飛行。這樣，無(wú)人機(jī)高度控制系統(tǒng)的控制律就可以表示成 : u = K2?( ? ? ?)+K2ω2 ω2 + K2 ( H ? H)K2 H 當(dāng)采用常規(guī) PID控制時(shí) ,K2? = K + K ? 1s + K s 這里，我們還要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，在高度控制系統(tǒng)中，相對(duì)于給定高俯仰角的偏離 信號(hào)反饋是至關(guān)重要的。若控制中沒(méi)有俯仰角的偏離信號(hào)，則在高度穩(wěn)定過(guò)程中舵總是向上偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致升力增量總為正，軌跡總是向上彎曲。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)。當(dāng)引入俯仰角偏離信號(hào)后，無(wú)人機(jī)在未達(dá)到給定高度時(shí)就提前收回舵面，減小了它的上升率，從而對(duì)高度的振蕩起了一定的阻尼作用。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。另 外，在實(shí)際測(cè)量高度差信號(hào)時(shí)，高度傳感器存在著大氣干擾或地形干擾。這些干擾對(duì)伺服回路的工作狀態(tài)有著惡劣的影響。因此我們有必要在高度控制回路中設(shè)置高度濾波器。由于陸地地形和海面地形的差異，高度傳感器所適用的濾波器也各不相同，一般分為無(wú)線電高度濾波器和海浪濾波器。 要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，當(dāng)無(wú)人機(jī)在作縱向機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，應(yīng)該把定高系統(tǒng)斷開(kāi)，否則會(huì)影響到它的縱向機(jī)動(dòng)能力。 控制律的仿真： 在設(shè)計(jì)基于 PID控制的無(wú)人機(jī)高度控制系統(tǒng)時(shí)，我們通常只需保持K2 K2? 舵機(jī) 無(wú)人機(jī)縱向模型 K2ω2 S K2 23 原來(lái)所設(shè)計(jì)的俯仰姿態(tài)回路不變，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于 PID控制的高度保持 /控制外回路就可以了。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) + + 高度 俯仰角 速率 圖 基于 PID的高度控制系統(tǒng)仿真圖 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。然后將所設(shè)計(jì)好的控制器分別用于 A點(diǎn)附近的 B點(diǎn)和 C點(diǎn)附近的 D點(diǎn)。全部仿真結(jié)果分別如下所示 圖 常規(guī) PID下高度階躍響應(yīng)（ A點(diǎn)） 圖 智能 PID高度階躍響應(yīng)（ A點(diǎn)） PID PID ?10s+ 10 X=Ax+Bu Y=Cx+Du 4s4s+ 1 k 24 圖 常規(guī) PID高度階躍響應(yīng)（ C點(diǎn)） 圖 智能 PID高度階躍響應(yīng)（ C點(diǎn)） 圖 常規(guī) PID高度階躍響應(yīng)（ D點(diǎn) ） 圖 智能 PID高度階躍響應(yīng)（ D點(diǎn)） 由上圖可知，智能 PID控制能大大抑制超調(diào)，并能縮減調(diào)節(jié)。 25 第五 章 總結(jié) 與展望 本 文 主要討論了基于常規(guī) PID和智能 PID的縱向飛行控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)方案、控制結(jié)構(gòu)以及飛行控制律的設(shè)計(jì)。對(duì)在低空、高空、高高空下的俯仰姿態(tài)保持模態(tài)分別設(shè)計(jì)了常規(guī) PID和智能 PID控制律，并分析了仿真結(jié)果。又分別設(shè)計(jì)了高度保持模態(tài)下的常規(guī) PID和智能PID控制律。結(jié)果顯示了常規(guī) PID的有效性和智能 PID的優(yōu)越性。 縱觀近年來(lái)智能 PID控制的發(fā)展，可以歸結(jié)出以下特點(diǎn) :智能復(fù)合控制成為提供和改善智能控制性能的有效途徑，并成為研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合代表著控制與智能系統(tǒng)研究的一個(gè)新的趨勢(shì)，另外有一個(gè)值得注意的動(dòng)向是利用遺傳算法 GA對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID控制器的權(quán)系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，而將遺傳算法應(yīng)用于模糊控制，被證明是調(diào)整規(guī)則和隸屬函數(shù)的一種有效方法。 PID控制重新受到廣泛的重視，并和智能控制等方法結(jié)合，形成新一輪的研究熱潮。國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物 IEEE Control Systems Magazine于 2022和 2022年出版了 PID控制特輯。 2022年， IFAC數(shù)字控制工作組在西班牙舉行了 PID控制學(xué)術(shù)會(huì)議。國(guó)際著名控制理論學(xué)者 Astrom教授指出， PID控制器在未來(lái)的控制工程中仍占有舉足輕重的地位。 26 ※ ※ ※ ※ ※ 致謝 在此論文撰寫過(guò)程中，要特別感謝我的導(dǎo)師 宋輝 的指導(dǎo)與督促，同時(shí)感謝 他的諒解與包容。沒(méi)有 宋 老師的幫助也就沒(méi)有今天的這篇論文。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂(lè)的。感謝我的 導(dǎo)師 ，謝謝他在這四年中為我們?nèi)嗨龅囊磺校磺蠡貓?bào)，無(wú)私奉獻(xiàn)的精神很讓我感動(dòng)，再次向他表示由衷的感謝。在這四年的學(xué)期中結(jié)識(shí)的各位生活和學(xué)習(xí)上的摯友讓我得到了人生最大的一筆財(cái)富。在此，也對(duì)他們表示衷心感謝。 謝謝我的父母，沒(méi)有他們辛勤的付出也就沒(méi)有我的今天，在這一刻，將最崇高的敬意獻(xiàn)給你們！ 本文參考了大量的文獻(xiàn)資料，在此，向各學(xué)術(shù)界的前輩們致敬！ 參考文獻(xiàn) 1.《自動(dòng)控制原理》 謝克明 電子工業(yè)出版社 2.《飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)》 肖順達(dá) 國(guó)防工業(yè)出版社 3.《現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)》 文傳源 北京航空航天大學(xué)出版社 4.《智能控制理論與技術(shù)》 孫增圻 清華大學(xué)出版社 5.《先進(jìn) PID控制及其 MATLAB仿真》 劉金琨 電子工業(yè)出版社 6.《飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與技術(shù)》 王行仁 北京航空航天大學(xué)出版社
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