飞行器纵向通道姿态模糊控制器设计

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1、C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d A p pl i c a t i o n s 计算机工程与应用 飞行器纵 向通道姿态模糊控制器设计 赵 曦晶， 汪立新 ， 何志昆， 李 瑞 Z HAO Xi j i n g ， WANG L i x i n ， HE Z h i k u n ， L I R u i 第二炮兵工程大学 控制工程系， 西安 7 1 0 0 2 5 De p a r t me n t o f Co n t r o l En g i n e e r i n g ， Th e S e c o n d Arti l l e r y E

2、n g i n e e r i n g Un i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 25 ， Ch i n a Z HAO Xi j i n g ， WANG L i x i n ， HE Zh i k u n ， e t a 1 F u z z y c o n t r o l l e r f o r l o n g i t u d i n a l c h a n n e l o f v e h i c l e a t t i t u d e c o n t r o l s y s t e m Co mp u t e r E n g i n e e r i n g

3、a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 1 3 ， 4 9 ( 3 ) ： 7 4 7 7 Ab s t r a c t ：I t i S d i f fic u l t t o b u i l d a c c u r a t e m a t h e m a t i c a l mo d e l s o f t h e v e h i c l e a t t i t u d e c o n t r o l s y s t e m b y c o mm o n k i n d o f c o n t r o l me t h o d s a s t h e s t

4、r u c t u r e i s v e r y c o mp l e x T o i mp r o v e t h e c o n t r o l a c c u r a c y ， a n e w me t h o d b a s e d o n F u z z y C o n t r o l ( F C)i s a p p l i e d t o d e s i g n i n g t h e c o n t r o l l e r f o r l o n g i t u d i n a l c h a n n e l o f t h e s y s t e m Ba s e d o

5、n f u z z y l o g i c t h e o r y ， t h e f u z z y r e g u l a t i o n i s f o r me d a c c o r d i n g t o t h e i n p u t a n d o u t p u t i n f o r ma t i o n o f t he s y s t e m T h e f u z z y c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b y c o r r e s p o n d i n g f u z z y i n f e r e n c e T

6、 h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l l e r b a s e d o n F C h a s s t a b l e p e r f o r ma n c e T h e a d j u s t me n t t i me o f t h e v e h i c l e a t t i t u d e c o n t r o l s y s t e m i s l e s s t h a n 1 S a n d t h e o v e r s h o o t i s l e s s

7、 t h a n 3 T he s y s t e m i s a b l e t o k e e p t h e p r e f e r a b l e e f f e c t i n t h e c i r c u ms t a n c e o f s ma l l d i s t u r b a n c e o r f a u l t Th e s t e a d y a c c u r a c y a n d d y n a mi c c h a r a c t e r o f t h e s y s t e m a r e i mp r o v e d e f f e c t i v

8、 e l y K e y wo r d s ：v e h i c l e ； a t t i t u d e c o n t r o l ； f u z z y c o n t r o l ； f u z z y i n f e r e n c e ； s t e a d y a c c u r a c y 摘 要： 飞行 器姿 态控制 系统结构极其复杂， 难以建立准确的数学模型。为了实现姿态的精确控制 ， 将模糊控制方法应用 于飞行器纵向通道姿态控制中， 在模糊逻辑理论的框架下， 根据姿 态控制 系统的输入输 出量， 提 出了一种模糊规则优化设 计方案， 通过模糊推理， 实现 了对飞行 器姿

9、态的模糊控制。仿真结果表 明， 所设计的模糊控制器性能稳定， 系统响应的调 整时间在 1 S 以 内， 超调量不超过 3 ， 且小扰动情况下仍能保持较好 的控制效果， 有效提 高了系统的稳态精度与动态品质。 天键词： 飞行器； 姿态控制； 模糊控制； 模糊推理； 稳态精度 文献标忠码： A | l I 图分类 号： T P 2 7 3 d o i ： 1 0 3 7 7 8 j i s s n 1 0 0 2 8 3 3 1 1 2 0 6 0 0 6 1 1 引言 对于 飞行器控制系统性能的评价 ， 一般包括以下几方 面 ： 一是控制系统的稳定性 ； 二是系统在扰动条件下动态 品质 ； 三是

10、 系统静态精度 。因此 ， 控制系统设计也要针对 保证和提高这些性能要求而展开 。飞行器在其 飞行过程 中由于飞行速度 、 高度 、 环境等外界因素 的变化 ， 使得 系统 参数相应变化 ， 剧烈时甚至会严重影响系统的控制性能- 一 。 。 传统控制方法在进行系统 没计时， 一般在回路设计中考虑 参数变化对 系数的影响 ， 但对于 系统内部 、 外部各种 因素 的抑制作用十分有限。 近年来 ， 模糊控制 、 变结构控制 、 自适应控制 、 神经 网 络控制等一 系列的现代控制方法对传统控制难 以控制的 复杂系统实现了有效控制 。对于飞行器控制 系统 ， 存在 参数不确定性及很难建立精确的数学模

11、型的问题 ， 而模糊 控制以人的操作经验和知识为基础 ， 可为非线性控制器提 出一种直观的设 汁方法 ， 特别是当控制对象具有不确定性 时 ， 可有效实现对系统的智能非线性控制 。本文着眼于提 高控制精度和稳定性 ， 对隶属函数和模糊规则的确定进行 优化 ， 通过模 糊推理对飞行器姿态控制进行分析和 没计 ， 以提高控制系统对精确性 、 实时性 、 鲁棒性 以及 自适应性 的性能要求。 2 模糊控制 模糊控制利用模糊理论 ， 不需要被控对象精确的数学 模 型 ， 可有效应用于处理那些定义不完善 、 难 以精确建模 的复杂过程 ， 围绕模糊控制的稳定性分析 、 建模辨识 、 没计 方 法 、 性

12、能改进等问题 ， 模糊控制已 日益受到广泛研究和 应 用。模糊控制以模糊数学 、 模糊语言和模 糊逻辑的规则 基金项 H： 国家高技术研究发展 汁划( 8 6 3 ) ( N o 2 0 1 0 AA 7 0 1 0 2 1 3 ) 。 作者简介： 赵曦品( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 博士研究生， 研究方向为智能控制和组合导航 ； 汪立新( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， 研究方 向为惯导 技术及测试； 何志昆( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 博士研究生 ， 研究方向为非线性滤波和组合导航； 李瑞( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 博士研究生 ， 研

13、究方向 为惯性系统及测试。E ma i l ： z h a o j i n g j i n g 0 3 s i n a c o rn 收稿n期： 2 0 1 2 0 6 0 5 修回日期 ： 2 0 1 2 - 0 9 1 7 文章编 呼： 1 0 0 2 8 3 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 7 4 0 4 C NKI j I l 版 R期 ： 2 0 l 2 1 0 3 1 h t t p ： www c n k i n e t k c ms d e t a i l 1 1 2 1 2 7 T P2 0 1 2 1 0 3 1 0 9 3 6 0 1 2 h t ml 赵

14、曦晶， 汪立新 ， 何志 昆， 等 ： 飞行器纵 向通道姿态模糊控制器设计 给 垦 推理为理 论基础 ， 应用计算机控制技术构成具有负反馈通 道的闭环结构的控制系统。 模糊控制是一种非线性控制 ， 其分析和 设计远比线性 系统复杂 。模糊控制系统 的性能优劣主要取决于模糊控 制器的结构 ， 所 采用的模糊规则 、 合成推理算法等因素 。 模糊控制方案如图 l 所示 ， 模糊控制器是控制过程的核心 部分， 如图 1 中虚线部分所示 。 模糊控制算法流程设计如下 ： ( 1 ) 根据本次系统输入采样值， 计算所选择系统输入变量； ( 2 ) 将输入变量的精确值变为模糊量 ， 即模糊化过程 ； (

15、3 ) 根据变量 、 模糊控制规则 ， 经模糊推理， 汁算控制量； ( 4 ) 由控制 量的模 糊值计算控制 量的精确值 ， 即非模 糊化过程 。 3 飞行器姿态控制系统模糊控制器设计 根据 飞行器设计总体要求 ， 所设计 的控制 系统需对 飞 行器 的姿态运动和质心运动同时实现稳定 与控制 。飞行 器控制系统一般 由两部分组 成 ： 一是控制对象 ； 二是控制 器。如图 2 所示。 输 矧2 行器控制系统基奉组成结构 l冬 l 飞行器控制系统要修正被控量对输入量的偏差 ， 抑制 系统参数变化 和外干扰 引起的误差 ， 因而对控制精度的要 求是很高的。不同的飞行器 ， 对控制系统要求不同 ， 组成 系统 的元件也不 同， 但通常具有类似的结构 ， 一般来说 ， 飞 行器控制系统框图如图3 所示 。本文主要以飞行器姿态控制 系统为研究对象 ， 设计飞行器姿态控制系统模糊控制器。 3 1 确定模糊控制器结构 设计模糊控制器为二维控制器 ， 选择输入变量为误差 输 、误差的变化 E C， 输 出变量为控制量 “。为保证较高的 稳态精度 ， 将模糊集选 为7 个元素。根据对姿态控制系统 性能方面的要求 ， 设汁误差 E ， 误