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三自由度飞行器模型的模糊PID控制研究

作　者: 林冶
导　师: 井元伟
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 三自由度四旋翼模糊PID控制遗传算法模糊规则
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 238次
引　用: 2次
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内容摘要

四旋翼飞行器是加拿大Quanser公司提供的实验装置,在军事和民用方面都具有广阔的应用前景,例如,可以将其应用到地面战场的侦察和监视、重大自然灾害之后的搜索与救援等领域。近年来,四旋翼直升机已经引起了人们的高度关注,许多研究机构正致力于这方面的研究工作。可以在实验室完成对模型系统的控制实验,进行控制律的研究。本文主要是利用三自由度四旋翼盘旋系统来研究四旋翼直升机的姿态控制问题,研究了模糊PID控制器对飞行器模型的仿真和控制。针对三自由度四旋翼盘旋系统的特点,主要进行了以下几个方面的研究。第一章主要介绍了国内外四旋翼无人直升机的研究现状和相关技术,论述了开展这方面研究工作的重要意义,随后又介绍了模糊控制在国内外的发展现状。第二章介绍了三自由度四旋翼盘旋系统的特性,根据系统的受力情况,在忽略陀螺效应和内部结构间的摩擦后介绍了系统的动力学模型,并且建立了系统的状态空间方程,给出了系统的一些参数。第三章根据系统的模型特点,由于系统是线性模型,对于线性模型PID控制器是最常用的控制器,但是由于PID控制的参数需要调节,很不方便所以本文采用模糊PID控制器,研究并设计了基于模糊PID控制器,此控制器便于参数的调整,并且在解模糊化方法上采用了不同的方法,文献中采用建立TS模型的方法解模糊化,本文采用重心法去模糊化。并仿真验证其可行性。还比较了PID和模糊PID的仿真图,并对结果进行了分析。结果表明,该控制器在时间和超调上明显优于PID控制器,实现参数的自调整,验证了该方法的有效性。第四章采用遗传算法自动生成模糊规则,由于专家经验在某些情况下不适用,并且专家经验有一定的缺陷,因此采用遗传算法来自动生成模糊规则并且在文献的基础上对初始种群的产生、适应度函数的选取、交叉概率、变异概率的选取都是择优选取,并且利用MATLAB建立系统的仿真模型,仿真结果验证了其算法的可行性。并且与原始的遗传算法生成的模糊规则的控制曲线进行了对比,在调节时间和超调上明显优于后者,验证了其有效性。第五章总结了本文的主要工作和实际的应用意义,并且展望了将来进一步工作和发展前景。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-19
  1.1 无人机研究背景  11-12
  1.2 四旋翼飞行器国内外研究概况  12-16
  1.3 模糊技术的发展现状  16-17
  1.4 四旋翼飞行器的研究目的和意义  17-18
  1.5 本论文的主要研究内容  18-19
第2章三自由度四旋翼盘旋系统组成与模型  19-25
  2.1 引言  19
  2.2 系统组成  19-20
  2.3 系统模型  20-23
    2.3.1 动力学模型  20-22
    2.3.2 状态空间方程  22
    2.3.3 系统参数  22-23
  2.4 本章小结  23-25
第3章三自由度飞行器模型的模糊PID自调整控制器设计  25-47
  3.1 模糊PID控制器原理  25-27
    3.1.1 PID控制器原理  25-26
    3.1.2 模糊控制器原理  26-27
  3.2 模糊PID自整定控制系统的设计  27-29
    3.2.1 模糊PID参数自整定控制器的结构  27-28
    3.2.2 模糊PID参数自整定的原则  28-29
  3.3 三自由度飞行器模型的模糊自整定控制器的设计  29-36
    3.3.1 三自由度飞行器模型的模糊语言变量及其控制器的论域  29-30
    3.3.2 三自由度飞行器系统的模糊化  30-31
    3.3.3 三自由度飞行器系统的隶属度函数  31-32
    3.3.4 三自由度飞行器系统的模糊规则推理  32-34
    3.3.5 三自由度飞行器系统的清晰化  34-36
  3.4 PID以及模糊PID控制器的仿真及分析  36-45
    3.4.1 三自由度模型系统的PID仿真曲线  36-39
    3.4.2 三自由度模型系统的抗扰动的PID仿真曲线  39-41
    3.4.3 三自由度飞行器模型系统的模糊PID仿真曲线  41-43
    3.4.4 三自由度飞行器模型系统的抗扰动的模糊PID仿真曲线  43-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章基于遗传算法生成模糊规则的设计  47-67
  4.1 遗传算法的基础  48-50
    4.1.1 遗传算法的简单介绍  48
    4.1.2 遗传算法的关键技术以及流程  48-50
  4.2 遗传算法生成模糊规则的设计  50-55
    4.2.1 遗传算法的编码与解码及初始种群的产生  50-51
    4.2.2 适应度函数的设计  51-52
    4.2.3 遗传算法的选择操作  52-53
    4.2.4 自适应交叉概率设计  53-54
    4.2.5 自适应变异概率设计  54-55
  4.3 仿真与分析  55-65
    4.3.1 基于遗传算法生成的规则  56-57
    4.3.2 遗传算法生成的模糊规则应用到模糊PID控制器上的仿真及分析  57-65
  4.4 本章小结  65-67
第5章结论与展望  67-69
参考文献  69-73
致谢  73

三自由度飞行器模型的模糊PID控制研究

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