【正文】 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。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。 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。 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。在俯仰角指令入口處，要加上俯仰角限幅 。內(nèi)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。 其中，內(nèi)回路中的俯仰角速率信號由俯仰角速率陀螺提供 。 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?？刂骑w機的這些不同的變量，就對應了駕駛儀不同的功能模塊?？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。 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)。 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。通過實際的調(diào)試表明該方法能在很大程度 上縮短調(diào)試時間，取得滿意的效果。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(zhì)，隨著誤差的減小，加強積分作用以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。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。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。 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。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。 （ 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)。“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。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(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。 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)。 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(diào)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(diào)小、振蕩次數(shù)少 )。 （ 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。 (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。此時的控制量應致力于壓低超調(diào)，使系統(tǒng) 11 穩(wěn)態(tài)誤差減小。 圖 系統(tǒng)階躍響應 （ 1） AB階段 這是系統(tǒng)由靜態(tài)到動態(tài)再向穩(wěn)態(tài)轉變的關鍵階段，此時，采取變增益控制，當系統(tǒng)輸出與希望值相差較大的時候，比例作用可以適當增強，而當系統(tǒng)輸出上升接近希望值時，比例控制作用要降低，同時可適當引入微分控制，既有利于減小超調(diào)而又不至于影響上升時間。它包括基于知識推理的專家控制、基于規(guī)則的自學控制、基于聯(lián)結機制的神經(jīng)網(wǎng)絡控制、基于模糊邏輯的只能控制和仿生智能控制等等 。 PID參數(shù)的整定 將調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器處于比例狀態(tài)，將比例度 δ由大逐漸變小，直至出現(xiàn)等幅震蕩，此時比例度稱為臨界比例度 δk， δk相應的震蕩周期稱為臨界震蕩周期 Tk， PID參數(shù)整定如下表所示： 9 表 1 臨界比例度法 PID參數(shù)整定 參數(shù) 調(diào)節(jié) 比例度 δ 積分時間 Ti 微分時間 TD P 2δk PI PID 將閉環(huán)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器置于純比例作用，從大到小逐漸調(diào)節(jié)比例度，加擾動做調(diào)節(jié)的實驗直至出現(xiàn) 4： 1的衰減震蕩，此時的比例度記為 δs震蕩周期記為 Ts其中 Ts為 1到 2的時間，如圖： 圖 衰減曲線法參數(shù)整定 10 表 2 衰減曲線法 PID參數(shù)整定 參數(shù) 調(diào)節(jié) 比例度 δ 積分時間 Ti 微分時間 TD P δs PI PID 非線性智能 PID的 設計思想 為了或者滿意的系統(tǒng)性能，在控制中應采取靈活有效的控制方式，增強系統(tǒng)對不確定因素的適應性，各種新型 PID控制算法層出不窮。 微分作用：主要是克服大慣性時間常數(shù)的影響，引入微分相當于系統(tǒng)引入一個動態(tài)阻尼，增大 T 能減小超調(diào)量，但系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間會因此變大。 積分作用：積分調(diào)節(jié)與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度相關，加入積分能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，但過大的積分作用會造成系統(tǒng)的超調(diào)。 Kp由小到大時，系統(tǒng)的響應速度加快；超調(diào)量由 沒有到有，慢慢變大；穩(wěn)定性總體是由強到弱。 PID 常規(guī) PID控制有比例單元（ P）、積分單元（ I）、微分單元（ D）三部分組成，其輸入 e(t)與輸出 u(t)的關系為： u(t) = Kp[e(t)+ 1Ti∫e(τ)dτ+ T de(t)dtt0] 式中 Kp為比例增益， Ti為積分時間常數(shù)， T 為微分時間， u(t)為 控制量， e(t)為被控量 y(t)和設定值 r(t)的偏差 , e(t)= r(t) y(t),令積分增益 Ki=1Ti，微分增益 K = 1Td。但隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復雜，對相應的性能指標更加嚴格，常規(guī) PID控制已經(jīng)無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。 8 第三章 常規(guī) PID和智能 PID控制的思路和方法 PID控制自從被提出以后，由于其結構簡單、魯棒性強以及容易實現(xiàn)等優(yōu)點被廣泛運用于工業(yè)