模糊PID在無人機(jī)飛行控制中的應(yīng)用研究

生仁智

摘 要：無人機(jī)是一種高機(jī)動、低造價和體積小的無人機(jī)型，其現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、勘探、偵查和航拍等領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的無人機(jī)控制系統(tǒng)主要采用模糊控制器或PID控制器，因此控制效果不佳。據(jù)此，本文介紹一種模糊自適應(yīng)PID控制器，具體討論其在無人機(jī)飛行控制中的應(yīng)用，以供同行借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；模糊自適應(yīng)PID；控制系統(tǒng)

1 PID控制器參數(shù)的整定

PID控制器控制的方程式為：

式中，——比例系數(shù)；——積分系數(shù)；——微分系數(shù)；——系統(tǒng)輸出；——誤差；——誤差變化率。

通常情況下，、、應(yīng)按控制系統(tǒng)的客觀實際而定，以確保系統(tǒng)的控制效果更佳，即提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性。

1.1 模糊自整定法

模糊自整定法是一種基于人工反復(fù)試驗和專家經(jīng)驗的參數(shù)整定方法，即通過制定控制規(guī)則，讓控制器的控制參數(shù)在系統(tǒng)狀態(tài)變化的條件下不斷優(yōu)化，進(jìn)而使得系統(tǒng)以最快的速度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。模糊自整定法具有魯棒性和智能化的特征，因此常被應(yīng)用于復(fù)雜的控制環(huán)境中。

1.2 臨界比例度法

臨界比例度法的實現(xiàn)步驟為：在PID控制器中設(shè)比例狀態(tài)→從大到小對比例度進(jìn)行試驗→選定發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度數(shù)值→確定臨界振蕩周期。通常情況下，PID控制器的比例度取1.7δk；微分時間取0.125Tk；積分時間取0.5Tk。

2 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計

模糊自適應(yīng)PID控制器主要由模糊控制器和PID控制器組成。模糊控制器采取兩輸入+三輸出的結(jié)構(gòu)，其中輸出量包括PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；輸入量包括高度誤差、誤差變化率。據(jù)此，模糊自適應(yīng)PID控制器的工作原理如下：根據(jù)模糊規(guī)則，采用模糊邏輯算法來優(yōu)化PID控制器的、、，進(jìn)而獲得更佳的控制效果。

如圖1所示，模糊控制器利用高度傳感器測得無人機(jī)實際的高度，并通過與控制系統(tǒng)的給定高度進(jìn)行比較，得出高度誤差；然后通過間歇采樣獲得無人機(jī)飛行高度誤差變化率；最后再根據(jù)控制規(guī)則，獲得模糊控制器的輸出值、、，并將之傳給PID控制器，進(jìn)而實現(xiàn)對無人機(jī)穩(wěn)定性和飛行性能的有效控制。

2.1 模糊控制模型的建立

模糊控制模型要求模糊控制器輸入量選取無人機(jī)高度、高度誤差、高度誤差變化率，輸出量選取、、，具體在Matlab/fuzzy環(huán)境下建立模糊控制模型。假設(shè)PID控制器兩輸入三輸出的論域、模糊子集分別為[-1，1]，；輸入/出變量的隸屬度函數(shù)為三角函數(shù)隸屬函數(shù)曲線。在輸入量、和輸出量、、的模糊論域中，各個元素所表示的內(nèi)容間表1。

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則的建立是指根據(jù)不同的、，按以下規(guī)律選取與之相對應(yīng)的、、值：1.當(dāng)值比較大時，選取的較大值、的較小值，以使控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間更短；2.當(dāng)值中等時，選取的較小值、、的適當(dāng)值，以使控制系統(tǒng)的超調(diào)性能更低；3.當(dāng)值較小時，選取、的較大值、的適當(dāng)值，以使控制系統(tǒng)在設(shè)定值前后保持在穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)上述規(guī)律，大致可以建立R1：IF、R2：IF、…、R49：IF共49條模糊控制規(guī)則，比如 。

3 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的仿真

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真時，假設(shè)無人機(jī)的初始高度、飛行高度和仿真時間分別為0m、12m、120s，則根據(jù)上述研究內(nèi)容可得，如圖2所示的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

根據(jù)圖2可知，模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間較短，可使系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)快速升至設(shè)定值，但系統(tǒng)卻很難在設(shè)定值附近保持穩(wěn)定；PID控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，但其響應(yīng)時間卻較長。

4 結(jié)語

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)綜合了模糊控制和PID控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在無人機(jī)控制中的效果非常好，具體表現(xiàn)在對飛行高度、速度和狀態(tài)的有效控制，即具有響應(yīng)時間短、超調(diào)量小、拍攝精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于在復(fù)雜環(huán)境下對對象進(jìn)行控制。

參考文獻(xiàn)

[1]肖亞輝，王新民，王曉燕，等.無人機(jī)三維編隊飛行模糊PID控制器設(shè)計[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，29（6）：834-838.

[2]劉浩蓬，龍長江，萬鵬，等.植保四軸飛行器的模糊PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，（1）：71-77.

（作者單位：江蘇省海安高級中學(xué)）