改進(jìn)Fuzzy-PID技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

飛行器在大氣層內(nèi)的運(yùn)動具有非線性、強(qiáng)耦合、不確定等特性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，并且易受風(fēng)干擾等隨機(jī)干擾的影響，氣動參數(shù)變化劇烈。因此，設(shè)計一個可靠的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)是保證使其按預(yù)定軌跡運(yùn)動的必要條件。目前應(yīng)用較普遍的飛行器姿態(tài)控制技術(shù)是采用PID控制，簡單可靠，性能穩(wěn)定。但在某些惡劣環(huán)境下，對飛行器的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性要求較高，僅靠PID或改進(jìn)的PID控制技術(shù)難以滿足。

因此，本文將PID控制和Fuzzy控制結(jié)合起來應(yīng)用在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中。Fuzzy控制是一種仿人思維的智能控制方法，不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，可以較好地解決由于飛行器模型不精確和隨機(jī)干擾引起的控制問題。但Fuzzy控制很難解決系統(tǒng)本身存在的穩(wěn)態(tài)誤差，PID控制正好能夠彌補(bǔ)這一不足。同時，為了改善Fuzzy控制器的性能，加入自動修正因子對其參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，保證控制系統(tǒng)能在大范圍內(nèi)獲得最優(yōu)的動態(tài)性能。

1 Fuzzy-PID控制器設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

Fuzzy-PID控制的基本原理如圖1所示。

控制系統(tǒng)由兩部分組成：Fuzzy控制器和PID控制器。選取誤差和誤差變化率作為系統(tǒng)輸入，輸出為系統(tǒng)控制量u?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)偏差e的大小來決定采用何種控制算法。當(dāng)誤差過大或較大時，采用Fuzzy控制算法，加大控制作用抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)實際響應(yīng)盡快達(dá)到給定值；反之，采用PID控制算法，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，改善靜態(tài)特性。它比單獨Fuzzy控制或者PID控制都有更好的控制性能。PID控制器的設(shè)計在本文不再贅述。

1.2 帶自動修正因子的Fuzzy控制器設(shè)計

在設(shè)計Fuzzy控制器的過程中，主要分為5個部分［1］：（1）確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；（2）合理地選擇量化因子和比例因子，從而確定輸入變量及輸出變量的論域；（3）確定輸入、輸出的模糊語言值以及隸屬函數(shù)；（4）建立模糊規(guī)則并選定近似推理算法；（5）確定解模糊方法。其中根據(jù)操作人員積累的知識經(jīng)驗，建立模糊控制規(guī)則是最為核心的工作，F(xiàn)uzzy控制器的性能好壞主要取決于此。

設(shè)輸入量e、ec和輸出量u的論域分別為E、EC和U，其模糊子集通常用{負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（0），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}來表示。選取控制量的一般原則是：當(dāng)誤差大或較大時，選取控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。根據(jù)知識經(jīng)驗加以總結(jié)得到模糊控制器的控制規(guī)則，見表1。

設(shè)偏差e和偏差變化率ec的量化因子分別為K1和K2，控制量U的比例因子為K3，它們在很大程度上影響模糊控制器的性能。K1越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越大，過渡過程也越長；反之，則系統(tǒng)變化越慢，穩(wěn)態(tài)精度降低。K2越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，輸出變化率越小，但系統(tǒng)變化越慢；反之，則系統(tǒng)反應(yīng)加快，但超調(diào)增大。K3主要影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，與實際控制對象有關(guān)。

在實際工作中為了使系統(tǒng)快速響應(yīng)，減小超調(diào)，在常規(guī)模糊控制器上引入修正因子n，在控制過程中對n值作調(diào)整，實時在線改變偏差E和偏差變化率EC的加權(quán)程度，從而取得更優(yōu)的控制效果。