三自由度飞行器的控制研究

论文摘要

三自由度飞行器模型系统是由加拿大Quanser公司提供的实验装置。模型系统有三方面的控制,分别为俯仰角控制,滚转角控制,偏航角控制。该系统作为一个实验装置,形象直观,结构简单；而作为一个被控对象,它又相当复杂。就其本身而言,是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的多输入多输出系统,为了更好地对三自由度飞行器模型系统进行控制,有必要对其设计更有效的控制器。本文主要针对三自由度飞行器系统中出现的非线性、耦合性等因素,设计了更有效的控制器,使得系统的性能得到了很大的提高。主要工作如下：首先,介绍了三自由度飞行器的组成部分及工作原理,通过对三自由度飞行器动力学分析,进行数学建模,并转化为状态方程。其次,介绍了LQR最优控制的基本原理,设计了LQR控制器,能够对模型的俯仰角,滚转角及偏航角进行实时跟踪控制。仿真研究表明该控制策略可行有效。再次,利用模糊控制理论对PID参数进行优化,设计模糊PID自整定控制器。通过与LQR控制器的仿真结果比较,可以发现模糊PID控制器可以使得系统的动态性能相对于LQR控制器有所提高。最后,针对模糊控制规则无法进行在线自调整的缺点,本文设计了基于遗传算法的模糊PID控制器。该控制策略利用遗传算法优化了量化因子,比例因子,隶属度函数,模糊控制规则等。通过仿真可以看到各个通道的稳态误差明显减小,表明了基于遗传算法的模糊PID控制器设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 智能控制简介
• 1.3 模糊控制技术的发展现状
• 1.4 遗传算法的发展现状
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 三自由度飞行器模型系统的介绍
• 2.1 三自由度飞行器系统的结构模型
• 2.2 三自由度飞行器的数学建模
• 2.3 三自由度飞行器系统的状态方程模型
• 2.4 三自由度飞行器模型的系统分析
• 第3章 三自由度飞行器的LQR设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 线性二次型最优控制的原理
• 3.3 三自由度飞行器的LQR控制器设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 三自由度飞行器的模糊PID控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 PID控制算法
• 4.2.1 PID控制器的基本原理
• 4.2.2 PID参数整定
• 4.2.3 三自由度飞行器的PID控制器设计
• 4.3 模糊控制算法简介
• 4.3.1 确定模糊控制器的输入和输出量
• 4.3.2 输入输出变量模糊化
• 4.3.3 模糊控制器的控制规则
• 4.3.4 模糊推理
• 4.3.5 输出变量清晰化
• 4.4 模糊PID控制器设计
• 4.4.1 模糊PID控制器的工作原理
• 4.4.2 三自由度飞行器的模糊PID控制器设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于遗传算法的模糊PID控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 遗传算法概述
• 5.3 遗传算法的基本原理与方法
• 5.3.1 遗传算法的数学模型
• 5.3.2 染色体的编码方法
• 5.3.3 染色体的选择方法
• 5.3.4 染色体的交叉方法
• 5.3.5 染色体的变异方法
• 5.3.6 目标函数和适应度函数
• 5.4 基于遗传算法的量化因子和比例因子优化
• 5.4.1 量化因子和比例因子的编码
• 5.4.2 适应度函数的确定
• 5.4.3 染色体的选择
• 5.4.4 染色体的交叉
• 5.4.5 染色体的变异
• 5.4.6 运行参数设计
• 5.5 基于遗传算法的隶属度函数和模糊规则同时优化
• 5.5.1 编码
• 5.5.2 适应度函数的确定
• 5.5.3 染色体的选择方法
• 5.5.4 染色体的交叉方法
• 5.5.5 染色体的变异方法
• 5.5.6 遗传算法运行参数设定
• 5.5.7 优化的结果与仿真
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢