改进Fuzzy-PID技术的飞行器姿态控制系统设计

飞行器在大气层内的运动具有非线性、强耦合、不确定等特性，难以建立精确的数学模型，并且易受风干扰等随机干扰的影响，气动参数变化剧烈。因此，设计一个可靠的飞行器姿态控制系统是保证使其按预定轨迹运动的必要条件。目前应用较普遍的飞行器姿态控制技术是采用PID控制，简单可靠，性能稳定。但在某些恶劣环境下，对飞行器的姿态控制精度和稳定性要求较高，仅靠PID或改进的PID控制技术难以满足。

因此，本文将PID控制和Fuzzy控制结合起来应用在飞行器姿态控制系统中。Fuzzy控制是一种仿人思维的智能控制方法，不依赖于精确的数学模型，可以较好地解决由于飞行器模型不精确和随机干扰引起的控制问题。但Fuzzy控制很难解决系统本身存在的稳态误差，PID控制正好能够弥补这一不足。同时，为了改善Fuzzy控制器的性能，加入自动修正因子对其参数进行在线调整，保证控制系统能在大范围内获得最优的动态性能。

1 Fuzzy-PID控制器设计

1.1 总体设计

Fuzzy-PID控制的基本原理如图1所示。

控制系统由两部分组成：Fuzzy控制器和PID控制器。选取误差和误差变化率作为系统输入，输出为系统控制量u。控制系统根据偏差e的大小来决定采用何种控制算法。当误差过大或较大时，采用Fuzzy控制算法，加大控制作用抑制超调，提高系统的响应速度，使系统实际响应尽快达到给定值；反之，采用PID控制算法，减小系统稳态误差，改善静态特性。它比单独Fuzzy控制或者PID控制都有更好的控制性能。PID控制器的设计在本文不再赘述。

1.2 带自动修正因子的Fuzzy控制器设计

在设计Fuzzy控制器的过程中，主要分为5个部分［1］：（1）确定模糊控制器的结构；（2）合理地选择量化因子和比例因子，从而确定输入变量及输出变量的论域；（3）确定输入、输出的模糊语言值以及隶属函数；（4）建立模糊规则并选定近似推理算法；（5）确定解模糊方法。其中根据操作人员积累的知识经验，建立模糊控制规则是最为核心的工作，Fuzzy控制器的性能好坏主要取决于此。

设输入量e、ec和输出量u的论域分别为E、EC和U，其模糊子集通常用{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（0），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}来表示。选取控制量的一般原则是：当误差大或较大时，选取控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要以系统的稳定性为主，防止系统超调。根据知识经验加以总结得到模糊控制器的控制规则，见表1。

设偏差e和偏差变化率ec的量化因子分别为K1和K2，控制量U的比例因子为K3，它们在很大程度上影响模糊控制器的性能。K1越大，系统的超调量越大，过渡过程也越长；反之，则系统变化越慢，稳态精度降低。K2越大，系统超调量越小，输出变化率越小，但系统变化越慢；反之，则系统反应加快，但超调增大。K3主要影响系统的动态性能，与实际控制对象有关。

在实际工作中为了使系统快速响应，减小超调，在常规模糊控制器上引入修正因子n，在控制过程中对n值作调整，实时在线改变偏差E和偏差变化率EC的加权程度，从而取得更优的控制效果。