无人机飞行PID控制及智能PID控制技术研究
|
摘要
无人驾驶飞机(UAV)广泛的应用价值、尤其是在军事上的重要性已经得到国内外的高度重视，而无人机飞行控制系统是无人机能够安全、有效地完成复杂战术／战略使命的基本前提，因此迫切需要加强该领域的研究工作。
本文主要利用常规PID控制和智能PID控制的理论来研究无人机飞行控制律的设计。
首先，建立无人机对象模型。在前苏联体制下，建立无人机六自由度十二阶非线性微分方程，并对模型进行线性化，得到无人机的纵向和侧向线性化方程。
接着，介绍了所采用的常规PID和智能PID控制的思路和方法，以及如何将智能PID应用于无人机飞行控制律设计。
然后，针对纵向控制系统，研究了其组成和控制方案，分别用常规PID和智能PID方法设计了纵向俯仰姿态保持、高度保持模态的控制律，并对两种控制方法的控制效果进行了对比。
最后，针对横侧向控制系统，研究了其组成和控制方案，用常规PID控制方法分别设计了倾斜姿态保持／控制模态、航向保持／控制模态及协调转弯控制模态的控制律。
大量的仿真结果表明，本文设计的无人机常规PID控制律是有效的，设计的智能PID控制律也显示出其优越性。
As great benefits are got from the applications of UAV (unmanned air vehicle), especially the applications in military field, more and more attention is paid to the development of UAV in the world. To accomplish the complicated missions safely and effectively, there must be an advanced flight control system. Therefore the research work of UAV's flight control must be enhanced .
The thesis adapts traditional PID control and intelligent PID control theories to study the design of UAV's fight control law.
Firstly, the UAV's math model is built. We get nonlinear differential equations in 12 first-order , which is six-degrees-of-freedom(6-DOF) model.
Secondly, the thesis introduces theoris and means of traditional PID and intelligent PID control. And I study how to adapt intelligent PID control to UAV's flight control.
Thirdly, the constitute and control scheme of the lognitudinal control system is studied. Then, traditional PID control and intelligent PID control is respectively used to design and simulate the laws of pitching pose holding mode and high holding mode.
Lastly, the constitute and control scheme of the lateral control system is studied. Traditional PID control is used to design and simulate the laws of slope pose holding mode, course pose holding mode and harmony swerve mode.
The simulation results indicate that the routine PID flight control laws we design are effective,and the intelligent PID flight control laws are more effective.
本文主要利用常规PID控制和智能PID控制的理论来研究无人机飞行控制律的设计。
首先，建立无人机对象模型。在前苏联体制下，建立无人机六自由度十二阶非线性微分方程，并对模型进行线性化，得到无人机的纵向和侧向线性化方程。
接着，介绍了所采用的常规PID和智能PID控制的思路和方法，以及如何将智能PID应用于无人机飞行控制律设计。
然后，针对纵向控制系统，研究了其组成和控制方案，分别用常规PID和智能PID方法设计了纵向俯仰姿态保持、高度保持模态的控制律，并对两种控制方法的控制效果进行了对比。
最后，针对横侧向控制系统，研究了其组成和控制方案，用常规PID控制方法分别设计了倾斜姿态保持／控制模态、航向保持／控制模态及协调转弯控制模态的控制律。
大量的仿真结果表明，本文设计的无人机常规PID控制律是有效的，设计的智能PID控制律也显示出其优越性。
As great benefits are got from the applications of UAV (unmanned air vehicle), especially the applications in military field, more and more attention is paid to the development of UAV in the world. To accomplish the complicated missions safely and effectively, there must be an advanced flight control system. Therefore the research work of UAV's flight control must be enhanced .
The thesis adapts traditional PID control and intelligent PID control theories to study the design of UAV's fight control law.
Firstly, the UAV's math model is built. We get nonlinear differential equations in 12 first-order , which is six-degrees-of-freedom(6-DOF) model.
Secondly, the thesis introduces theoris and means of traditional PID and intelligent PID control. And I study how to adapt intelligent PID control to UAV's flight control.
Thirdly, the constitute and control scheme of the lognitudinal control system is studied. Then, traditional PID control and intelligent PID control is respectively used to design and simulate the laws of pitching pose holding mode and high holding mode.
Lastly, the constitute and control scheme of the lateral control system is studied. Traditional PID control is used to design and simulate the laws of slope pose holding mode, course pose holding mode and harmony swerve mode.
The simulation results indicate that the routine PID flight control laws we design are effective,and the intelligent PID flight control laws are more effective.
引文
1．张明廉主编，北京航空学院，南京航空学院合编．飞行控制系统．北京：国防工业出版社，1984
2．肖顺达．飞行自动控制系统(上)．北京：国防工业出版社，1980．12
3．肖顺达．飞行自动控制系统(下)．北京：国防工业出版社，1980．12
4．申安玉，申学仁，李云保等编著．自动飞行控制系统．北京：国防工业出版社，2003
5．文传源．现代飞行控制系统．北京：北京航空航天大学出版社，1992．8
6．《飞机飞行控制系统手册》．飞机飞行控制系统手册．北京：国防工业出版社，1994．10
7．文传源．现代飞行控制系统．北京：北京航空航天大学，1992．8
8．孙增圻．智能控制理论与技术．北京：清华大学出版社，广西科学技术出版社，1997．4
9．王宗学．飞行其控制系统概论．北京：北京航空航天大学出版社，1994．5
10．薛定宇．控制系统计算机辅助设计——Matlab语言及应用．北京：清华大学出版社，1997
11．唐永哲．直升机控制系统设计．西安：西北工业大学，2001
12．胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社，1994
13．高金源，李陆豫，冯亚昌等．飞机飞行品质．北京：国防工业出版社，2003．1
14．(德)鲁道夫·布罗克豪斯．飞行控制．北京：国防工业出版社，1999．9
15．王行仁、飞行实时仿真系统及技术、北京：北京航空航天大学出版社，1998．9
16．姚俊，马松辉．Simulink建模与仿真．西安：西安电子科技大学出版社，2002
17．刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．北京：电子工业出版社，2003．1
18．苏丙未，万胜，陈欣，杨一栋．一种基于动态逆的控制方案在无人机中的应用研究，2000．12
19．苏丙未，曹云峰，陈欣，万胜．基于BACKSTEPPING的无人机飞控系统设计研究．南京航空航天大学学报，2001．6
20．苏丙未．无人机先进飞行控制技术研究．南京航空航天大学博士学位论文，2001．11
21．曹云峰．超音速靶机飞行控制系统的研究．南航硕士论文，1990．9
22．严侠．无人机飞行控制计算机辅助设计开发平台研究．南航硕士论文，2002．2
23．孙春贞．无人机最简控制系统研究．南京航空航天大学硕士论文，2003．2
24．谷新．基于PC网络平台的无人机实时仿真系统．南京航空航天大学硕士论文，2001．2
25．陈兵，朱纪洪，孙增圻．基于PC机的无人机仿真系统．系统仿真学报，2002．5
26．席庆彪，解万成．飞行飞行控制系统优化设计．西北工业大学学报，1998．11
27．袁东莉，席庆彪，解万成．小型无人机飞行变结构控制．信息于控制，1999．12
28．张于燕．国外长航时无人机综述．无线电通信技术，2001
29．于凤仙，邱红专，王兰，张洪斌．无人驾驶直升机纵向姿态运动的模糊控制研究．北京航空航天大学学报，1997．12
30．苏丙未，曹云峰，陈欣，杨一栋．一种鲁棒自适应Backstepping控制方案研究．应用科学学报，2001．12，，
31．陈欣，苏丙未，曹云峰，杨一栋．一种基于神经网络的非线性飞行控制系统设计方案研究．数据采集与处理，2002．9
32．于黎明，王占林．军用无人机的发展趋势及其关键技术．航空科学技术，1999．1
33．黄一敏，孙春贞．小型无人机姿态回路的简化配置控制系统设计．南京航空航天大学学报，2003．4
34．郭树军．直升机超机动飞行的神经网络控制研究．南京航空航天大学博士学位论文，2000．6
35．杨新，王小虎，申功璋，文传源．飞机六自由度模型及仿真研究．系统仿真学报，2000．5
36. Robert M. NUTWELL. "Unmanned Air Vehicles Coming of Age at Last" .AIR & SPACE EUROPE, 2000
37. Marc L. Steinberg, "Comparison of Intelligent, Adaptive, and Nonlinear Flight Control Laws", JOURNAL OF GUIDANCE, CONTROL, AND DYNAMICS, Vol.24, No. 4, July -august 2001
38. Chih-Min Lin, Jiann-Hwa Maa. Flight Control System Design by self-Organizing Fuzzy logic Controller. J. GUIDANCE. 1996,20(1):189-19
39. William C. Reigelsperger and Siva S. Banda, "Nonlinear simulation of a modified F-16 with full-envelope control laws", Control Engineering Practice, pp. 309-320, 1998
40. Eric N. Johnson and Suresh K. Kannan, "Adaptive Flight Control for an Autonomous Unmanned Helicopter", AIAA
2．肖顺达．飞行自动控制系统(上)．北京：国防工业出版社，1980．12
3．肖顺达．飞行自动控制系统(下)．北京：国防工业出版社，1980．12
4．申安玉，申学仁，李云保等编著．自动飞行控制系统．北京：国防工业出版社，2003
5．文传源．现代飞行控制系统．北京：北京航空航天大学出版社，1992．8
6．《飞机飞行控制系统手册》．飞机飞行控制系统手册．北京：国防工业出版社，1994．10
7．文传源．现代飞行控制系统．北京：北京航空航天大学，1992．8
8．孙增圻．智能控制理论与技术．北京：清华大学出版社，广西科学技术出版社，1997．4
9．王宗学．飞行其控制系统概论．北京：北京航空航天大学出版社，1994．5
10．薛定宇．控制系统计算机辅助设计——Matlab语言及应用．北京：清华大学出版社，1997
11．唐永哲．直升机控制系统设计．西安：西北工业大学，2001
12．胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社，1994
13．高金源，李陆豫，冯亚昌等．飞机飞行品质．北京：国防工业出版社，2003．1
14．(德)鲁道夫·布罗克豪斯．飞行控制．北京：国防工业出版社，1999．9
15．王行仁、飞行实时仿真系统及技术、北京：北京航空航天大学出版社，1998．9
16．姚俊，马松辉．Simulink建模与仿真．西安：西安电子科技大学出版社，2002
17．刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．北京：电子工业出版社，2003．1
18．苏丙未，万胜，陈欣，杨一栋．一种基于动态逆的控制方案在无人机中的应用研究，2000．12
19．苏丙未，曹云峰，陈欣，万胜．基于BACKSTEPPING的无人机飞控系统设计研究．南京航空航天大学学报，2001．6
20．苏丙未．无人机先进飞行控制技术研究．南京航空航天大学博士学位论文，2001．11
21．曹云峰．超音速靶机飞行控制系统的研究．南航硕士论文，1990．9
22．严侠．无人机飞行控制计算机辅助设计开发平台研究．南航硕士论文，2002．2
23．孙春贞．无人机最简控制系统研究．南京航空航天大学硕士论文，2003．2
24．谷新．基于PC网络平台的无人机实时仿真系统．南京航空航天大学硕士论文，2001．2
25．陈兵，朱纪洪，孙增圻．基于PC机的无人机仿真系统．系统仿真学报，2002．5
26．席庆彪，解万成．飞行飞行控制系统优化设计．西北工业大学学报，1998．11
27．袁东莉，席庆彪，解万成．小型无人机飞行变结构控制．信息于控制，1999．12
28．张于燕．国外长航时无人机综述．无线电通信技术，2001
29．于凤仙，邱红专，王兰，张洪斌．无人驾驶直升机纵向姿态运动的模糊控制研究．北京航空航天大学学报，1997．12
30．苏丙未，曹云峰，陈欣，杨一栋．一种鲁棒自适应Backstepping控制方案研究．应用科学学报，2001．12，，
31．陈欣，苏丙未，曹云峰，杨一栋．一种基于神经网络的非线性飞行控制系统设计方案研究．数据采集与处理，2002．9
32．于黎明，王占林．军用无人机的发展趋势及其关键技术．航空科学技术，1999．1
33．黄一敏，孙春贞．小型无人机姿态回路的简化配置控制系统设计．南京航空航天大学学报，2003．4
34．郭树军．直升机超机动飞行的神经网络控制研究．南京航空航天大学博士学位论文，2000．6
35．杨新，王小虎，申功璋，文传源．飞机六自由度模型及仿真研究．系统仿真学报，2000．5
36. Robert M. NUTWELL. "Unmanned Air Vehicles Coming of Age at Last" .AIR & SPACE EUROPE, 2000
37. Marc L. Steinberg, "Comparison of Intelligent, Adaptive, and Nonlinear Flight Control Laws", JOURNAL OF GUIDANCE, CONTROL, AND DYNAMICS, Vol.24, No. 4, July -august 2001
38. Chih-Min Lin, Jiann-Hwa Maa. Flight Control System Design by self-Organizing Fuzzy logic Controller. J. GUIDANCE. 1996,20(1):189-19
39. William C. Reigelsperger and Siva S. Banda, "Nonlinear simulation of a modified F-16 with full-envelope control laws", Control Engineering Practice, pp. 309-320, 1998
40. Eric N. Johnson and Suresh K. Kannan, "Adaptive Flight Control for an Autonomous Unmanned Helicopter", AIAA