模糊自整定PID控制

1、SHENYANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：模糊自整定 PID控制飛控模型班級(jí):智能科學(xué)與技術(shù)1101班姓名：韓超學(xué)號(hào)：110407119指導(dǎo)教師：于洪霞1.0系統(tǒng)概述三自由度直升機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)直升機(jī)）由基座、平衡桿、平衡塊和螺旋槳等部分組成。平衡桿以基座為支點(diǎn)，進(jìn)行俯仰和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。螺旋槳和平衡塊分別安裝在平衡桿的兩端。螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力可以使平衡桿以基座為支點(diǎn)做俯仰動(dòng)作，利用兩個(gè)螺旋槳的速度差可以使平衡桿以基座為軸做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。平衡桿的旋轉(zhuǎn)軸、俯仰軸和螺旋槳的橫側(cè)軸分別安裝了編 碼器用以測(cè)量平衡桿俯仰軸、旋轉(zhuǎn)軸和螺旋槳橫側(cè)軸的數(shù)據(jù)。兩個(gè)螺旋槳分別由兩個(gè)直

2、流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為螺旋槳提供動(dòng)力。通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在平衡桿另一測(cè)的平衡塊可以減少螺旋槳電 機(jī)的出力。安裝在基座的集電環(huán)保證了系統(tǒng)本體和電控箱之間的信號(hào)傳送，不受直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。如下圖所示：平衝塊位置傳感器位置傳感器位置傳感器螺旋槳電機(jī)2螺旋槳電機(jī)12.0系統(tǒng)建模根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)我們把它分為三個(gè)軸（自由度）來(lái)分別建模。2.1俯仰軸FhmbL2俯仰由上圖可知，俯仰軸的轉(zhuǎn)矩是由兩個(gè)螺旋槳電機(jī)產(chǎn)生的升力F1和F2。故螺旋槳的升力Fh = F1+ F2。當(dāng)升力Fh大于重力G時(shí)，直升機(jī)上升；反之直升機(jī) 下降?，F(xiàn)假定直升機(jī)懸在中，并且俯仰角為零，就可得到下列等式：廂=葉血7G其中：4是俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣更 Jc =

3、 mhl； +叫/；;K和乙是兩個(gè)電機(jī)的電壓*它們產(chǎn)生升力斤和九常瓦螺旋槳電機(jī)的升力常數(shù)；人罡支點(diǎn)到電機(jī)的距離；厶是支點(diǎn)到平衡塊的距離；珥是由俯仰軸G產(chǎn)生的有效重力矩，匚二叫g(shù)£-叫陰； 叫和叫則分別是直升機(jī)螺旋槳部分和平衡塊的質(zhì)量； 苜是俯仰軸的旋轉(zhuǎn)加速度*2.2橫側(cè)軸橫側(cè)軸由上圖可知，橫側(cè)軸由兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力控制，如果F1產(chǎn)生的升力大于F2產(chǎn)生的升力，螺旋槳本體就會(huì)產(chǎn)生傾斜，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，使直升機(jī)圍繞基座旋轉(zhuǎn)。其中:幾是橫側(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;匚是橫側(cè)軸到電機(jī)的距離;0是橫側(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)抓速度“2.3旋轉(zhuǎn)軸G。G的水平分量會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)力矩,旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力來(lái)源是螺旋槳橫側(cè)軸

4、傾斜時(shí)產(chǎn)生的水平方向升力。對(duì)于比較小的橫側(cè)角, 這個(gè)力需要使直升機(jī)在空中保持平衡，大約為 旋轉(zhuǎn)軸由這個(gè)力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度。如下圖所示：其運(yùn)動(dòng)方程如下：Jr = -Gsin(p)/|上式中：r是旋轉(zhuǎn)速度，單位rad/sec; Sin( p)是橫側(cè)角p的正弦值，若橫側(cè)角為零，則沒(méi)有力 傳遞給旋轉(zhuǎn)軸。由此我們可知俯仰角加速度是加在兩個(gè)螺旋槳電機(jī)的電壓和的函數(shù)；橫側(cè)軸加速度是兩個(gè)電機(jī)電壓差的函數(shù)；旋轉(zhuǎn)軸的加速度和橫側(cè)角成比例關(guān)系。3.0控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)三個(gè)模糊自整定 PID參數(shù)控制器來(lái)控制直升機(jī)的俯仰位置和旋轉(zhuǎn)速度。3.1俯仰軸控制器如果忽略重力擾動(dòng)力矩 Tg,可以得到如下線(xiàn)性系統(tǒng)：Je "

5、Kch(ViV2)= KchVs其中Vs =V, V2是加在電機(jī)上的電壓之和。由此推出俯仰軸系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：£ (s) KchVs(S)JeS2不忽略重力擾動(dòng)力矩：£ (S) Kch -Gli2Vs(S)JeS3.2橫側(cè)軸控制器改變直升機(jī)橫側(cè)軸的傾斜角的大小可以控制直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)計(jì)一個(gè)模糊自整定 PID控制器來(lái)控制直升機(jī)的橫側(cè)角。橫側(cè)軸的有如下線(xiàn)性系統(tǒng)：JpP =KJp(V1 -V2)=KclpVd由此推出橫側(cè)軸系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：p(s) _KJpVd(s)JpS23.3旋轉(zhuǎn)軸控制器旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力學(xué)方程為：Jtr = G sin( p)l1若橫側(cè)角p在一個(gè)很小的范

6、圍內(nèi)變化時(shí)，可以把上式線(xiàn)性化為：Jtr 二Gl1 p由此推出旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：p(s) _ Gl1r(s) Jts4.0模糊自整定PID參數(shù)控制器在設(shè)計(jì)PID控制器的過(guò)程中，忽略了系統(tǒng)自由度之間的耦合性，并且所得到的微分方 程只是在系統(tǒng)平衡點(diǎn)附近適用?？傊?，把非線(xiàn)性系統(tǒng)近似看成是線(xiàn)性系統(tǒng)，所得到的PID控制器的參數(shù)是固定的，當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)，或者存在干擾時(shí)，系統(tǒng)的控制效果不是很好。模糊控制不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，是在總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種手段。采用 2個(gè)模糊自整定PID控制器來(lái)對(duì)直升機(jī)的高度和旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。參 數(shù)模糊自整定PID控制器是以常規(guī)PID控制器為基

7、礎(chǔ)，根據(jù)被控對(duì)象的反饋值與目標(biāo)值的 誤差E和誤差變化率EC的不同，用模糊推理的方法對(duì) PID的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)自整定， 一滿(mǎn)足 不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使受控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能的自適應(yīng)性能。參數(shù)模糊自整定 PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖如下圖：模糊控制器輸入語(yǔ)言變量，分別表示輸入量的誤差E和誤差變化率EC,輸出語(yǔ)言變量為PID的3個(gè)參數(shù)調(diào)整量 Kp、Ki、Kd。PID參數(shù)的整定原則歸納如下：當(dāng)E較大時(shí)，為了提高響應(yīng)速度，Kp取較大值，為了避免較大超調(diào)，Ki取較小值，為了防止EC瞬時(shí)值過(guò)大，Kd取較小值。當(dāng)E中等大時(shí)，為了減小超調(diào)，Kp取適中值，Ki取適中值，Kd去較大值。當(dāng)E較小時(shí)，

8、為了提高穩(wěn)定性，Kp取較小值，為了減小靜差，Ki取較大值，Kd取較小值。根據(jù)這些整定規(guī)則可以建立 PID3個(gè)參數(shù)模糊規(guī)則表，如下：莪丄邱換霸期査XAkpNBNMNS3DPS耐FEJNBFBFBFMFMPS2D2DSCMpfirfiPVlPSPS7DNSNS耐FMFMPS70NSNS2DIMFMPS2DNSNMNMPSPSPS31NSNSNMNMPS3DNSNMNMNMNBre5D2DNMNMNMXBNB表2k股御規(guī)則表0CAkiNBNMNS2DPSTMreNBNBNBXMNMNS3DMMNBNBNMNSNS2D2DxsNBMMNSNS7DPSPSMMNMNS/PSIMPSNMNS町PSPSIM

9、申2D2DPSPSIMFBFBFB2D20PSEMIMffira表3kd喪葩軀則喪kdcNBNMNS亞PSFMFBNBPSNSNBNBNBwPSNMPSNSNBNMNMNS3DNS33NSNN1SMNSNSS)3SJajK5NSNSNSNS3DPS71)7T>恥3D7D71)FMreNSPSPSraPS陽(yáng)FEFMFMRV1PSPS陽(yáng)模糊控制器可采用直接編程方法和運(yùn)用MATLAB模糊工具箱方法來(lái)設(shè)計(jì)。在此采用后 者建2個(gè)模糊控制器，分別用來(lái)控制俯仰角和旋轉(zhuǎn)速度。輸入輸出下圖:輸入e、ec：input variable "e"輸出Kp、Ki、Kd隸屬函數(shù)取三角形。Memb

10、ership functjon plots Plat P口和祐:-D.25 -0.2 -0.15 -0'.1 -0.0500 05output variable "kp'模糊自整定PID參數(shù)控制器輸出的論域?qū)刂平Y(jié)果的影響巨大，在設(shè)定時(shí)應(yīng)注意調(diào)整。俯仰軸:論域：K葉33、Ki-33、Kd-33橫側(cè)軸：論域：Kp-0.30.3、Ki-0.010.01 > Kd-0.030.03旋轉(zhuǎn)軸：論域：Kp-0.50.5> Ki-0.020.02 > Kd-0.010.01下圖為模糊自整定 PID參數(shù)控制器仿真圖: 俯仰軸控制器：In1DcrhatMil*amiP

11、tha-1 Fuzzy LogieCnfrGlterD.7*+Adi£Add3*GDOut1橫側(cè)軸控制器:旋轉(zhuǎn)軸控制器:飛控模型系統(tǒng)的仿真圖:控制系統(tǒng)仿真圖:Scope5.0實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析然后按SIMULINK仿真。系統(tǒng)運(yùn)行后利用示波器觀察輸出情況。得到的輸出如下圖:6.0結(jié)論6.1模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)中的參數(shù)Kp、Ki、Kd對(duì)系統(tǒng)影響極大。應(yīng)適當(dāng)選擇這 3個(gè)參數(shù)值及論域以獲得最佳的PID控制特性，應(yīng)避免因Kp、Ki、Kd論域選擇不當(dāng)而出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的現(xiàn)象。6.2模糊控制起的控制規(guī)則對(duì)模糊自整定 PID參數(shù)控制中的參數(shù)影響較大。這將直接影響 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果，應(yīng)對(duì)模糊控制器的FIS規(guī)則語(yǔ)句的權(quán)值和控制規(guī)則表作適當(dāng)?shù)男薷暮驼{(diào)整。6.3采用FUZZY和PID復(fù)合控制的算法