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1、2015届毕业设计说明书模拟飞机速度控制系统的分析与仿真院、系：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称专 业：自动化班 级：完成时间：2015年6月此次设计研究的内容主要是围绕模拟飞机控制系统，利用自动控制原理中的 多种方法分析该控制系统的性能，比如系统的稳定性，动态性能，静态性能以及 它们之间的相互关系，并且运用MATLAB软件对该控制系统进行仿真，直观的 分析系统参数对系统动态特性和稳态特性的影响，来知道参数调节，让系统具备 良好的控制效果。首先从时域角度出发，根据系统中各个环节的物理或者化学规律，得到系统 的微分方程，由微分方程经过拉普拉斯变化解得系统的开环传递函数或者闭环传 通函数
2、，然后求解闭环特征方程的特征方程和特征根，零极点的分布以及劳斯判 据来分析判断该系统的稳定性。对于一个稳定的系统，又有上升时间、超调量、 峰值时间、调节时间和稳态误差这些指标来对比系统的性能。其次根据系统的传递函数，设计相应的控制器，提高系统的性能。由于被控 对象组成的闭环系统存在着静态误差，并且系统的调节时间比较长，超调量也不 满足要求，所以根据系统的情况设计了 P1D控制器。在Matlab软件中仿真之后, 系统的性能指标得到提升，验证了 PID控制器的有效性。另外根据系统参数对 系统性能指标的影响，将系统的阻尼比调节到最佳阻尼比0.707,进一步提升了 系统的性能。最后，根据系统中存在着参
3、数不确定的情况，传统控制方法很难设计控制器 对于所有的参数都适用，所以设计了模糊控制器。由于模糊控制器不需要控制对 象的精确模型，所以设计的模糊控制器对于所有的参数都实现了很好的效果，大 幅度的提升了系统的性能。在分析的过程中，使用了计算机技术的MATLAB软件，该软件可以比较方 便地得到系统的根轨迹图、阶跃响应图和频域分析的曲线，并且可以高效的对比 系统各个参数对系统时域特性和频域特型的影响，通过这些对比，能够加深对控 制系统的认识和理解，对于系统的学习有着很大的帮助。关键词：模拟飞机控制；稳定性；模糊控制；MATLAB软件ABSTRACTThe research content mainl
4、y around the simulation of aircraft control systems, using many methods of automatic control principle to analyze the performance of the control system, such as the stability of the system, dynamic performance, static performance and their relationships, using MATLAB software to simulate the control
5、 system and study the impacts of different parameters to the performance of the system, in order to adjust the parameters to obtain good control effect.First from the angle of the time domain, according to all aspects of the physical or chemical law in the system, the differential equations of the s
6、ystem can be obtained. Then the transfer function can be obtained after Laplace transform of the differential equations. And according to the eigenvalues of the closed-loop characteristic equation, pole zero distribution and Routh criterion, we can analyze the stability of the system.Secondly, accor
7、ding to the transfer function of the system, design the controller and improve the performance of the system. Duc to the closed-loop system composed of the controlled object has the static error and system of regulating time is relatively long, overshoot also does not meet the requirements, so we de
8、sign the PID controller to control the system. After the simulation of Matlab, the performance of the system is improved, and the validity of PID controller is verified. In addition, according to the influence of system parameters on the performance of the system, the damping ratio of the system is
9、adjusted to the optimum damping ratio by 0.707, and the performance of the system is further improved.At last, according to the uncertain parameters of the system, the traditional control method is very difficult to design the controller for all the parameters, so the fuzzy controller is designed. S
10、ince the fuzzy controller does not need the precise model of the object, the fuzzy controller is designed for all the parameters to achieve a good effect, greatly improving the system performance.Matlab software of computer technology is used in the analysis of the process, the software can more eas
11、ily get system root locus order and step response curve and frequency domain analysis, and high contrast of the system parameters on system characteristics in time domain and frequency domain contoured influence, through the comparison, the understanding of the control system call be deepen, and has
12、 a great help for learning.Key words : Simulation of aircraft control systems; stability; Fuzzy control;MATLAB software1绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 研究内容22模拟飞机速度控制系统的工作原理与数学模型42.1 模拟飞机速度控制系统工作原理42.1.1 飞机速度控制系统简介42.1.2 飞机速度控制系统的基本组成部分及功能42.1.3 模拟飞机速度控制的基本方案52.2 模拟飞机速度控制系统数学建模63模拟飞机速度控制系统性能分析及系统仿真103.1 系统
13、时域分析方法及其性能指标103.1.1 系统的动态性能指标113.1.2 系统的静态性能指标123.1.3 系统的性能指标和系统参数的关系123.1.4 高阶系统分析方法153.2 飞机速度控制系统分析153.2.1 开环系统性能分析15322闭环系统性能分析164模拟飞机速度控制器设计及系统仿真184.1 PID控制器设计184.1.1 PID控制器简介184.1.2 F1D控制器经典电路194.1.3 PIP控制器中三个系数的作用224.1.4 加入PID控制器后的系统仿真224.2 模糊控制器设计264.2.1 模糊控制器基本理论26422模糊控制器设计步骤29423量化因子和比例因子对
14、系统性能的影响304.2.4 利用模糊控制器控制飞机速度控制314.3 两种控制器的控制效果比较33结束语35参考文献36致谢391绪论1.1 研究背景目前，高超音速飞行器是世界大国正在潜心研究的热门军事武器。其中，高 超音速，是指飞行器的速度高于音速五倍以上，大约为每小时飞行器的移动的距 离为6000公里。高超音速飞行器不仅仅指飞机，它主要包括三个大类，第一类 是高超音速的巡航导弹，第二类是高超音速的飞机，第三类是高超音速的航天飞 机。高超音速飞行器的速度十分快，除此之外，飞行器的轨迹也没有规律，难以 预测，所以用相应的拦截系统难以拦截。高超音速飞行器的动力由高超音速冲压 发动机提供，它的技
15、术原理十分复杂，同时具有高要求的气动外形，所以研究起 来十分困难，解决飞行器的速度控制问题，是发展高超音速飞行器的关键。对于美国来说，一小时打遍全球是美国空军的梦想，现在的高超音速飞行器 正好可以使这种梦想变成现实。所以，美国从很早开始就开始研究高超音速飞行 器，其中的X-51项目从2010年开始试验，但是失败的次数大于成功的次数，其 中很重要的一点因素就是飞行器的速度达到很大之后，飞行器的稳定性会受到速 度较大的影响，速度上的一点变化，就可能导致整个飞行器的不稳定甚至直接坠 毁，这说明高超音速飞行器的研制并不像想象的那么简单。高超音速导弹相对于常规的巡航导弹有着很多优点，主要体现在以下三个方
16、 面：1. 飞行速度非常快。对于常规的亚音速导弹来说，如果要打击1000公里之外的某一个目标，它在空中飞行的时间就需要一个多小时，但是 高超音速导弹只需要不到十分钟的时间。2. 突破防御能力强。现在的巡航导弹主要依靠自身的隐身技术来实现突 破对方的时御系统，但是它的速度十分慢，只要对方的雷达系统发现 目标，很容易就能拦截。但是对于高超音速导弹来说，它的速度非常 快，并且飞行的轨迹十分难以预测，所以现有的防空武器根本没有办 法进行拦截。3. 破坏的能力大。高超音速导弹除了携带大量的弹药之外，自身还具有 吓人的动能，这强大的动能可直接穿透钢筋混凝土，可直接打击地下 的目标，目前打击能力最强的钻地弹可打击地下一百多米的目标，具 有强大的心理威慑能力。由于高超音速
