基于模糊PID控制傾轉旋翼飛行器載重分析

駱博 張舒瑜

摘 要：傾轉旋翼飛行器共有三個飛行模式，分別是直升機飛行模式、過渡飛行模式和固定翼飛行模式，本文主要是研究直升機飛行模式。國內目前研究直升機飛行模式，主要是針對其垂直起降階段利用經典PID控制進行控制系統設計。

直升機模式的主要優點是懸停載重，這是固定翼機不具備的。目前國內多采用經典PID作為直升機模式控制方法，而經典PID控制具有固有缺陷導致控制系統魯棒性不強，懸停載重需要系統的抗干擾能力，所以對傳統控制系統采取新的控制方法尤為必要。

關鍵詞：傾轉旋翼飛行器；模糊自整定PID控制；控制系統設計

傾轉旋翼機是一種同時具備直升機和固定翼機優點的新型飛行器。從性能上看，它可以像直升機一樣不依賴地形垂直起降，同時它也可以擁有固定翼飛行器的高航速。從結構上看，位于其機翼末端的短艙會隨著其飛行模式的改變而轉動，這使得飛行器成為一個時變非線性的系統，其控制系統的設計是傾轉旋翼飛行器研究的基礎和難點。傾轉旋翼飛行器以其優越的性能和設計難度上的挑戰，成為各國研究的熱點。本文基于模糊自整定PID控制原理，在MATLAB上建立了三個姿態通道以及三個位置通道中模糊自整定PID控制的子模塊部分。采用雙環控制器結構，設計出三個姿態通道控制率。采用雙回路控制結構，設計出傾轉旋翼飛行器位置控制率。對傾轉旋翼飛行器直升機模式控制器進行仿真研究，主要是：改變質量參數，對飛行器懸停模式的載重情況進行分析。

1 模糊自整定子模塊設計

模糊自整定PID，是指人們運用模糊數學的基本理論和方法，把規則條件、操作用模糊集的方式表示出來，并把這些模糊控制信息（如評價標準、初始PID參數等）作為規則存入計算機控制庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況結合之前存儲的模糊規則進行調控，從而自動實現PID參數的最佳調整。

模糊自整定PID是通過找出三個參數（Kp、Ki、 Kd）與e和 ec之間的模糊關系，并實時在線監測 和 。根據不同時期e和ec對控制參數的要求，實現模糊推理對三個參數的修改，得到三個參數的修正量，從而實現參數自整定的需求。

選擇姿態角中俯仰角的模糊子模塊建立為例。俯仰角的偏差和姿態角速度的偏差作為模糊PID控制器的輸入，選取對Kp，Ki， Kd三個參數的調節量△Kp，△Ki，△Kd作為輸出，可以根據輸入輸出設定模糊邏輯板塊。

我們可以知道語言變量是：e，ec，△Kp，△Ki，△Kd，設定其論域為：{-3，+3}。選取{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}為描述系統變量，得到系統子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。變量隸屬函數選擇為：左邊正弦型函數，中間三角型函數，右邊正弦型函數的組合函數形式。然后對模糊規則進行設定，共有49條。

通過模糊規則在模糊系統編輯器中可以建立模糊系統，設定完模糊邏輯部分，再設定PID控制部分選取初始參數為Kp=10， Ki=0.005，Kd=0.25

2 控制系統設計及載重仿真分析

對于傾轉旋翼機直升機模式位置控制律的設計主要是采用兩個回路的設計，它們分別是：穩定回路和制導回路，如圖1所示。

圖1雙回路控制結構示意圖

穩定回路主要起到穩定和控制無人機姿態的作用。其采用雙環控制結構，內環為角速度反饋，對擾動起到快速控制的作用；外環為角度反饋。在設計程序上，由內向外，先設計好內環，再設計外環。分析外回路時，內回路用比例環節表示穩定回路；分析內回路時，考慮到內外回路帶寬差別較大，所以不考慮外回路影響。

圖2傾轉旋翼機直升機模式控制系統Simulink仿真框圖

圖3傾轉旋翼機直升機模式載重仿真分析

制導回路主要起到穩定和控制無人機運動軌跡的作用。制導回路的控制方法是：首先計算當前位置與目標位置的方位差，而后計算方位差對應的姿態變化，再由姿態控制器對姿態調整，以及加速度部件進行速度調整，最后達到軌跡調整的目的。

采用Matlab的Simulink模塊結合S函數的方式，根據原理圖1，可以設計出姿態回路仿真框圖和位置回路仿真框圖，如圖2所示。其中姿態回路是穩定回路，而位置回路是制導回路，單一對穩定回路進行控制可以得到姿態角仿真，而將穩定回路和制導回路結合仿真可以得到位置仿真。

控制目標：將原函數中質量參數（質量和轉動慣量）改為原大小的1.5倍、2倍、3倍。目的：測試直升機模式下無人機載重能力。仿真曲線如圖3所示。

從曲線中可以看到：隨著參數的增大，系統響應速度變慢，最大超調量變大，但是曲線最終均能穩定在原曲線位置。

3 結語

本文設計了傾轉旋翼飛行器直升機模式下的控制系統，控制系統包括三個姿態控制以及三個位置控制。通過仿真可以看到飛行器在直升機模式具備一定載重能力，控制系統相對傳統控制系統在魯棒性、穩定性、反應速度上有所提高。下一步會針對飛行器過渡飛行模式展開研究。

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