改進Fuzzy-PID技術的飛行器姿態控制系統設計

飛行器在大氣層內的運動具有非線性、強耦合、不確定等特性，難以建立精確的數學模型，并且易受風干擾等隨機干擾的影響，氣動參數變化劇烈。因此，設計一個可靠的飛行器姿態控制系統是保證使其按預定軌跡運動的必要條件。目前應用較普遍的飛行器姿態控制技術是采用PID控制，簡單可靠，性能穩定。但在某些惡劣環境下，對飛行器的姿態控制精度和穩定性要求較高，僅靠PID或改進的PID控制技術難以滿足。

因此，本文將PID控制和Fuzzy控制結合起來應用在飛行器姿態控制系統中。Fuzzy控制是一種仿人思維的智能控制方法，不依賴于精確的數學模型，可以較好地解決由于飛行器模型不精確和隨機干擾引起的控制問題。但Fuzzy控制很難解決系統本身存在的穩態誤差，PID控制正好能夠彌補這一不足。同時，為了改善Fuzzy控制器的性能，加入自動修正因子對其參數進行在線調整，保證控制系統能在大范圍內獲得最優的動態性能。

1 Fuzzy-PID控制器設計

1.1 總體設計

Fuzzy-PID控制的基本原理如圖1所示。

控制系統由兩部分組成：Fuzzy控制器和PID控制器。選取誤差和誤差變化率作為系統輸入，輸出為系統控制量u?？刂葡到y根據偏差e的大小來決定采用何種控制算法。當誤差過大或較大時，采用Fuzzy控制算法，加大控制作用抑制超調，提高系統的響應速度，使系統實際響應盡快達到給定值；反之，采用PID控制算法，減小系統穩態誤差，改善靜態特性。它比單獨Fuzzy控制或者PID控制都有更好的控制性能。PID控制器的設計在本文不再贅述。

1.2 帶自動修正因子的Fuzzy控制器設計

在設計Fuzzy控制器的過程中，主要分為5個部分［1］：（1）確定模糊控制器的結構；（2）合理地選擇量化因子和比例因子，從而確定輸入變量及輸出變量的論域；（3）確定輸入、輸出的模糊語言值以及隸屬函數；（4）建立模糊規則并選定近似推理算法；（5）確定解模糊方法。其中根據操作人員積累的知識經驗，建立模糊控制規則是最為核心的工作，Fuzzy控制器的性能好壞主要取決于此。

設輸入量e、ec和輸出量u的論域分別為E、EC和U，其模糊子集通常用{負大（NB），負中（NM），負?。∟S），零（0），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）}來表示。選取控制量的一般原則是：當誤差大或較大時，選取控制量以盡快消除誤差為主；當誤差較小時，選擇控制量要以系統的穩定性為主，防止系統超調。根據知識經驗加以總結得到模糊控制器的控制規則，見表1。

設偏差e和偏差變化率ec的量化因子分別為K1和K2，控制量U的比例因子為K3，它們在很大程度上影響模糊控制器的性能。K1越大，系統的超調量越大，過渡過程也越長；反之，則系統變化越慢，穩態精度降低。K2越大，系統超調量越小，輸出變化率越小，但系統變化越慢；反之，則系統反應加快，但超調增大。K3主要影響系統的動態性能，與實際控制對象有關。

在實際工作中為了使系統快速響應，減小超調，在常規模糊控制器上引入修正因子n，在控制過程中對n值作調整，實時在線改變偏差E和偏差變化率EC的加權程度，從而取得更優的控制效果。