基于MATLAB的飛行器仿真平臺(tái)非線性PID控制策略研究

周勇君，李 鶴（沈陽工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

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基于MATLAB的飛行器仿真平臺(tái)非線性PID控制策略研究

周勇君，李 鶴
（沈陽工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

摘要：在飛行器仿真平臺(tái)的研究上，通常要求具有可操作性和實(shí)時(shí)性。本文介紹了基于MATLAB和MSFS的飛行器仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，使用MATLAB/Simulink作為軟件開發(fā)環(huán)境搭建了飛行器仿真模型，并針對(duì)飛行器控制算法問題，提出了一種非線性PID控制策略。仿真結(jié)果表明，使用該控制方法設(shè)計(jì)的飛行器比常規(guī)PID控制更為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：飛行器仿真平臺(tái)；非線性PID控制算法；MATLAB；MSFS

0 引言

飛行控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)飛行器的重要分支，引入線性PID控制、非線性PID控制等控制算法，可以給飛行控制系統(tǒng)帶來不同的控制效果。本文主要針對(duì)飛行控制系統(tǒng)中的非線性PID控制算法進(jìn)行研究，通過MATLAB/Simulink、MSFS（Microsoft Flight Simulator微軟飛行模擬器）搭建仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新，得出不同控制參數(shù)對(duì)飛行控制系統(tǒng)的影響。

飛行器仿真平臺(tái)的搭建包括飛行控制系統(tǒng)對(duì)象的建模、非線性PID控制器的設(shè)計(jì)和MATLAB與MSFS接口功能的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)組成及數(shù)學(xué)模型

飛行器控制對(duì)象的建模是研究飛行控制系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)。主要功能是對(duì)飛行器空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真，并解算飛行器的六自由度非線性運(yùn)動(dòng)方程。飛行器仿真模型的主要組成模塊及其之間的關(guān)系如圖1所示。控制量輸入數(shù)據(jù)包括：由飛行控制系統(tǒng)傳來的角度信息和機(jī)體所在位置以及推進(jìn)模塊解算出來的推力等。

圖1 通用飛行器仿真模型

在飛行器系統(tǒng)模塊中，根據(jù)操作指示和相關(guān)的控制算法來計(jì)算出飛行器姿態(tài)、位置等系數(shù)，并通過空氣動(dòng)力模塊計(jì)算氣動(dòng)力及力矩等系數(shù)、六自由

度運(yùn)動(dòng)方程模塊解算出飛行器非線性全量運(yùn)動(dòng)方程，并計(jì)算出飛行姿態(tài)信息，再通過閉環(huán)系統(tǒng)將這些姿態(tài)信息反饋給空氣動(dòng)力模塊及其它系統(tǒng)。

2 非線性 PID控制器設(shè)計(jì)

常規(guī)PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、參數(shù)易于調(diào)整、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在控制過程中得到了普遍的使用。但是對(duì)于非線性因素較多及參數(shù)變化范圍廣的系統(tǒng)，它并不能達(dá)到工程技術(shù)人員所需要的要求。

目前許多的非線性控制算法具有較好的控制性能，雖然可以獲得很的控制結(jié)果，但在實(shí)際應(yīng)用過程中還是較為困難。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的分析，我們采用的一種典型的非線性PID控制算法，具體參數(shù)設(shè)置如下：

2.1 比例增益參數(shù)的確定

在系統(tǒng)響應(yīng)初始階段，為了得到較快的響應(yīng)速度，應(yīng)由小逐漸增大。當(dāng)誤差絕對(duì)值逐漸減小時(shí)，也隨之減小，逐漸增大時(shí)，也隨之增大，并能夠保證系統(tǒng)盡快回到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。構(gòu)造非線性函數(shù)如下：

2.2 積分增益參數(shù)的確定

當(dāng)誤差絕對(duì)值較大時(shí)，期望不能太大，這樣有利于減小超調(diào)量，有利于響應(yīng)的快速穩(wěn)定；當(dāng)誤差絕對(duì)值誤差較小時(shí)，期望可以適當(dāng)增大，這樣對(duì)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差比較有利。可以構(gòu)造如下非線性函數(shù)：

2.3 微分增益參數(shù)的確定

在響應(yīng)的初始階段，應(yīng)由小逐漸增大。之后， 期望在由正值

變化到負(fù)值過程中，由小變大；而在e（t）由負(fù)值變化到正值過程中，由大變小。通過以上操作，可保證在對(duì)響應(yīng)速度沒有干擾的前提下，抑制超調(diào)量的產(chǎn)生，能夠使不穩(wěn)定點(diǎn)盡快回到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。根據(jù)的調(diào)整方法，在構(gòu)造的非線性函數(shù)時(shí)應(yīng)考慮誤差變化速率的大小。可以構(gòu)造如下的非線性函數(shù)：

式（1）～式（3）中的參數(shù)都是正實(shí)數(shù)。由上述分析可知，如果這些參數(shù)選擇恰當(dāng)，能夠使控制系統(tǒng)既響應(yīng)快，又不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。

3 仿真結(jié)果

在圖2中，我們給出了以升降舵為脈沖輸入的仿真結(jié)果，圖中的實(shí)線為常規(guī)PID控制結(jié)果，虛線為加入非線性PID控制的結(jié)果，從圖中可以看出，使用非線性PID控制算法的控制系統(tǒng)圖像波動(dòng)較為平穩(wěn)，被控對(duì)象能夠?qū)崿F(xiàn)更好的控制效果，滿足控制要求。

圖2 仰俯角響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

本文以飛行器為研究對(duì)象。采用非線性PID控制方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器的控制，仿真結(jié)果表明，該方案能夠較好地滿足飛行器的控制要求，參數(shù)易于調(diào)整，控制精度高，被控對(duì)象變化較平穩(wěn)，可以有效地克服和減弱非線性因素的影響。

參考文獻(xiàn)

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研究方向?yàn)槿斯ぶ悄埽度胧较到y(tǒng)開發(fā)。

Research on Nonlinear PID Control Strategy of MATLAB Based Aircraft Simulation Platform

Zhou Yongjun，Li He
（Shenyang Institute of technology，F(xiàn)ushun，Liaoning，113122）

Abstract：Flight simulation platform usually demand with operability and real time.In this paper A MATLAB based aircraft simulation platform is designed.At the same time， dealing with the problem of aircraft control，a nonlinear PID control strategy is proposed.The simulation results show that the control algorithm is more stable than the conventional PID control method.

Keywords：aircraftsimulation platform；nonlinear PID control algorithm；MATLAB； MSFS

作者簡介周勇君，男，本科，研究方向?yàn)榭刂扑惴ǎ琺atlab仿真平臺(tái)開發(fā)。通訊李鶴，男，講師，沈陽工學(xué)院通信工程專業(yè)教師，