FWNN控制在三自由度直升飛機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：直升飛機(jī)系統(tǒng)是一種典型的多輸入多輸出（MIMO）的非線性系統(tǒng)，并且具有比較強(qiáng)的耦合性，是控制工程領(lǐng)域較為復(fù)雜的對(duì)象。針對(duì)此種類型的被控對(duì)象，文章設(shè)計(jì)了一種基于模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（FWNN）的控制器，并與現(xiàn)代控制中論中的LQR控制器進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明FWNN控制有更快的響應(yīng)速度，更好的穩(wěn)定性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：三自由度直升飛機(jī)；LQR；FWNN控制器

1 引言

直升機(jī)具有垂直起降、空中懸停、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在急救、國(guó)防等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在信息化高速發(fā)展的今天，高性能直升飛機(jī)的設(shè)計(jì)顯得愈發(fā)重要。直升飛機(jī)系統(tǒng)屬于典型的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，本身具有較強(qiáng)的耦合性和非線性特性，是控制工程領(lǐng)域較為復(fù)雜的對(duì)象。三自由度直升飛機(jī)模型是對(duì)直升飛機(jī)動(dòng)力和電子系統(tǒng)的模擬，是直升飛機(jī)的一種模型簡(jiǎn)化，具有實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)、直觀性強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可以采用不同的控制策略來設(shè)計(jì)控制器，通過仿真實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)控制效果，是直升機(jī)控制器設(shè)計(jì)研究中廣泛使用的一種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 三自由度直升機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

三自由度飛機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以用三個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)微分方程來描述。

4 模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FWNN）控制器設(shè)計(jì)

4.1 FWNN控制器基本原理

FWNN控制器，即模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，是一種比較先進(jìn)的智能控制器，近幾年逐漸成為研究的熱點(diǎn)。FWNN控制器主要是將模糊理論、小波分析理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想融合在一起而設(shè)計(jì)的控制器。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元組成的非線性大規(guī)模自適應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)，具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計(jì)算能力及智能處理功能，但是無法表達(dá)人類先驗(yàn)的知識(shí)，從而給網(wǎng)絡(luò)加權(quán)初值的選取帶來困難，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢。而模糊系統(tǒng)雖然缺乏學(xué)習(xí)能力，但卻能通過隸屬函數(shù)將人類的模糊語言經(jīng)驗(yàn)較好的體現(xiàn)到控制器的控制決策中去。因此，可以將兩種方法結(jié)合起來，使控制器既有模糊邏輯的推理能力，又有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和非線性表達(dá)能力。在本文中我們將小波基函數(shù)作為模糊控制的隸屬函數(shù)，然后與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合組成模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，此種類型的控制器突出模糊控制、小波分析及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)能夠彌補(bǔ)它們的不足。

4.2 模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制及算法

在控制器的設(shè)計(jì)中，我們采用在線學(xué)習(xí)的方式，利用期望值與實(shí)際輸出值之間的誤差在線調(diào)整各層網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，然后將控制誤差及誤差變化率輸入控制器中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其中，學(xué)習(xí)算法中我們仿照BP網(wǎng)絡(luò)，用誤差反傳的方法來設(shè)計(jì)調(diào)整參數(shù)，以使被控對(duì)象的輸出逼近期望輸出。

5 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語

本文中設(shè)計(jì)的FWNN控制器融合了模糊控制理論、小波分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)彌補(bǔ)它們之間的不足。由仿真實(shí)驗(yàn)我們看出，該控制器比傳統(tǒng)的LQR控制器跟蹤速度更快，跟蹤精度更高，并且隨著時(shí)間的延續(xù)，F(xiàn)WNN控制器不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，控制精度越來越高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]李國(guó)勇.神經(jīng)模糊控制理論及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2009，1.

[2]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，2006，3.

[3]王波.三自由度直升機(jī)本體及電控系統(tǒng)的建模及實(shí)驗(yàn).南昌航空大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2012，6.

[4]姜增如，李延博.3自由度直升飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，1.