[0089] 在本发明中,设ΔkP’、ΔkI’和ΔkD’的在模糊控制模块内的语言变量分别为ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’。
[0090] 根据本发明一种优选的实施方式,如图4所示,在数据库内,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’的隶属度函数为三角形隶属度函数。
[0091] 在进一步优选的实施方式中,如图4所示,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’的隶属度函数为等腰三角形隶属度函数。
[0092] 在更进一步优选的实施方式中,如图4所示,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’的隶属度函数形状一致。
[0093] 根据本发明一种优选的实施方式,如图4所示,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’的论域均分别为:ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’={-3,-2,-1,0,1,2,3}。
[0094] 在进一步优选的实施方式中,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’的变量范围均分别采用六个模糊状态进行描述,即PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB。
[0095] 在更进一步优选的实施方式中,ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’与模糊状态的关系均分别如下:PB(2≤ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’),PM(1<ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’≤3),PS(0<ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’≤2),ZO(-1<ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’≤1),NS(-2≤ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’<0),NM(-3≤ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’<-1),NB(ΔKP’/ΔKI’/ΔKD’<-2)。
[0096] 根据本发明一种优选的实施方式,所述模糊推理子模块222根据规则库进行模糊推理,得到模糊控制讯号。
[0097] 在进一步优选的实施方式中,所述规则库包括模糊规则表一、模糊规则表二和模糊规则表三,分别如表1~3所示。
[0098] 表1 模糊规则表一
[0099]
[0100] 表2 模糊规则表二
[0101]
[0102]
[0103] 表3 模糊规则表三
[0104]
[0105] 根据本发明一种优选的实施方式,所述去模糊化子模块223采用加权平均法(重心法)对模糊控制讯号进行去模糊化处理,得到ΔKP’、ΔKI’和ΔKD’。
[0106] 在进一步优选的实施方式中,所述重心法如式(3)所示:
[0107]
[0108] 其中,在式(3)中,x表示ΔKP’、ΔKI’或ΔKD’隶属度函数的横坐标,y表示ΔKP’、ΔKI’或ΔKD’隶属度函数的纵坐标。
[0109] 根据本发明一种优选的实施方式,所述PID参数增量实际值转换子模块224进行如下处理:ΔkP’=ΔKP’*kuP;ΔkI’=ΔKI’*kuI;ΔkD’=ΔKD’*kuD。
[0110] 其中,kuP表示在对ΔKP’进行语言值向实际值ΔkP’转换时采用的去模糊因子,kuI表示在对ΔKI’进行语言值向实际值ΔkI’转换时采用的去模糊因子,kuD表示在对ΔKD’进行语言值向实际值ΔkD’转换时采用的去模糊因子。
[0111] 根据本发明一种优选的实施方式,如图5所示,所述权重分配模块3包括绝对值求取子模块31和权重分配子模块32。
[0112] 其中,所述绝对值求取子模块31用于对偏差e进行绝对值化处理,得到偏差e的绝对值∣e∣,在进行权重分配时,采用偏差e的绝对值∣e∣作为参考信号;所述权重分配子模块32用于对常规PID控制器1和模糊PID控制器2进行权重分配。
[0113] 在本发明中,由于模糊PID控制器与常规PID控制器的差别主要体现在适合的偏差范围不同,所以权重分配选择的参考信号为系统瞬时偏差的绝对值。
[0114] 根据本发明一种优选的实施方式,如图5所示,所述权重分配子模块32采用模糊控制方法对常规PID控制器1和模糊PID控制器2进行权重分配。
[0115] 其中,模糊控制方法是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。
[0116] 在进一步优选的实施方式中,如图5所示,所述权重分配子模块32包括参考信号模糊化模块321、权重分配模糊推理模块322、权重分配去模糊化模块323和权重实际值转换模块324。
[0117] 在进一步优选的实施方式中,在所述权重分配子模块32内还设置有权重分配数据库和权重分配规则库。
[0118] 在更进一步优选的实施方式中,所述参考信号模糊化模块321用于对参考信号∣e∣进行模糊化处理,即将输入值匹配成语言值的过程,得到对应的语言值∣E∣;所述权重分配模糊推理模块322和权重分配去模糊化模块323用于对参考信号的语言值∣E∣进行处理,得到权重的语言值X1和X2;所述权重实际值转换模块324用于对权重的语言值X1和X2进行处理,得到常规PID控制器和模糊PID控制器的权重分别为x1和x2。
[0119] 根据本发明一种优选的实施方式,所述参考信号模糊化模块321利用参考信号模糊因子对参考信号进行处理,得到参考信号的语言值,具体如下:∣E∣=∣e∣*k∣e∣。
[0120] 其中,∣e∣表示参考信号,∣E∣表示参考信号的语言值,k∣e∣表示参考信号模糊因子,在本发明中,取k∣e∣=1。
[0121] 在进一步优选的实施方式中,在权重实际值转换模块324内进行如下处理:x1=X1*kx1;x2=X2*kx2。
[0122] 其中,kx1表示将模糊量X1转换为权重x1的去模糊因子,x1表示分配给常规PID控制器的权重;kx2表示将模糊量X2转换为权重x2的去模糊因子,x2表示分配给模糊PID控制器的权重。在本发明中,令kx1=1,kx2=1。
[0123] 根据本发明一种优选的实施方式,在权重分配数据库内设置有∣E∣的隶属度函数。
[0124] 在进一步优选的实施方式中,如图6所示,∣E∣的隶属度函数为三角形隶属度函数。
[0125] 在更进一步优选的实施方式中,如图6所示,∣E∣的隶属度函数为等腰三角形隶属度函数。
[0126] 根据本发明一种优选的实施方式,如图6所示,,∣E∣的论域为∣E∣={0.02,0.1,0.18,0.26,0.34,0.42,0.5,0.58}。
[0127] 在进一步优选的实施方式中,如图6所示,∣E∣的变量范围均分别采用六个模糊状态进行描述,即mf1、mf2、mf3、mf4、mf5、mf6和mf7。
[0128] 在更进一步优选的实施方式中,如图6所示,mf1的论域为mf1={-0.06,0.02,0.1},mf2的论域为mf2={0.02,0.1,0.18},mf3的论域为mf3={0.1,0.18,0.26},mf4的论域为mf4={0.18,0.26,0.34},mf5的论域为mf5={0.26,0.34,0.42},mf6的论域为mf6={0.34,0.42,0.5},mf7的论域为mf7={0.42,0.5,0.58}。
[0129] 根据本发明一种优选的实施方式,在权重分配数据库中还设置有X1的隶属度函数和X2的隶属度函数。
[0130] 根据本发明一种优选的实施方式,如图7所示,X1的隶属度函数与X2的隶属度函数均分别为三角形隶属度函数。
[0131] 在进一步优选的实施方式中,如图7所示,X1的隶属度函数与X2的隶属度函数均分别为等腰三角形隶属度函数。
[0132] 在更进一步优选的实施方式中,如图7所示,X1的隶属度函数与X2的隶属度函数形状一致。
[0133] 其中,常规PID控制器的权重用x1表示,模糊PID控制器的权重可以用x2表示,对应地,x1的语言值以X1表示,x2的语言值以X2表示。
[0134] 根据本发明一种优选的实施方式,如图7所示,X1和X2的论域为:X1/X2={0,0.1667,0.3334,0.5,0.6667,0.8334,1}。
[0135] 在进一步优选的实施方式中,如图7所示,X1/X2的变量范围均分别采用七个模糊状态进行表示,即MF1={0,0.1667},MF2={0,0.1667,0.3334},MF3={0.166,0.3334,0.5},MF4={0.3334,0.5,0.6667},MF5={0.5,0.6667,0.8334},MF6={0.6667,0.8334,1}和MF7={0.8334,1}。
[0136] 根据本发明一种优选的实施方式,在权重分配子模块32内根据权重分配数据库和权重分配规则库进行权重分配的模糊控制处理。
[0137] 其中,所述权重分配规则库如表4所示。
[0138] 表4 权重分配规则库
[0139]∣E∣ mf1 mf2 mf3 mf4 mf5 mf6 mf7
X1 MF7 MF6 MF5 MF4 MF3 MF2 MF1
X2 MF1 MF2 MF3 MF4 MF5 MF6 MF7
[0140] 在本发明中,权重分配遵循的基本原理为:当参考信号较大时,分配给模糊PID控制器的权重较大,以达到减小超调、加快响应的效果;当参考信号较小时,分配给常规PID控制器的权重较大,以达到消除模糊PID在系统稳定时存在静态误差的目的。
[0141] 根据本发明一种优选的实施方式,在权重分配去模糊化模块323采用重心法进行去模糊化,如下式(4)和式(5)所示:
[0142]
[0143] 其中,在式(4)和式(5)中,Y(X1)表示X1的隶属度函数上的纵坐标,Y(X2)表示X2的隶属度函数上的纵坐标。
[0144] 根据本发明一种优选的实施方式,所述权重实际值转换模块324进行如下处理:x1=X1*ku1;x2=X2*ku2。
[0145] 其中,ku1表示在对X1进行语言值向实际值转换时采用的去模糊因子,ku2表示在对X2进行语言值向实际值转换时采用的去模糊因子。在本发明中,令ku1=1,ku2=1。
[0146] 根据本发明一种优选的实施方式,如图1所示,所述系统还包括运算器4。
[0147] 在进一步优选的实施方式中,如图8所示,所述运算器4包括乘法器一41、乘法器二42和累加器43。
[0148] 其中,所述乘法器一41用于对常规PID控制器1的常规PID控制量u及其权重x1进行乘积处理,所述乘法器42用于对模糊PID控制器2的模糊PID控制量u’及其权重x2进行乘积处理,所述累加器43用于对乘法器一和乘法器二得到的一组相乘结果进行加和处理,得到所述系统的PID控制量u系。
[0149] 在更进一步优选的实施方式中,所述运算器进行如式(6)所示处理:
[0150] u系=u*x1+u’*x2 式(6)。
[0151] 其中,u系表示所述系统实际输出的PID控制量,u’表示模糊PID控制器输出的模糊PID控制量,u表示常规PID控制器输出的常规PID控制量,x2表示模糊PID控制器的权重,x1表示常规PID控制器的权重。在本发明中,x1+x2=1。
[0152] 本发明另一方面提供了一种基于混合控制的飞行器控制方法,优选采用上述飞行器控制系统进行。
[0153] 根据本发明一种优选的实施方式,所述方法如下进行:
[0154] (1)利用常规PID控制器1和模糊PID控制器2同时进行信号处理,得到分别得到常规PID控制量u和模糊PID控制量u’;
[0155] (2)利用权重分配模块3对常规PID控制器1和模糊PID控制2进行权重分配,得到常规PID控制器1的权重以及模糊PID控制2的权重,即x1和x2;
[0156] (3)利用运算器4对步骤(1)和步骤(2)得到的常规PID控制量u、模糊PID控制量u’以及常规PID控制器1的权重x1、模糊PID控制2的权重x2进行数据处理,得到所述系统的PID控制量u系。
[0157] 在进一步优选的实施方式中,步骤(1)与步骤(2)同时进行。
[0158] 根据本发明一种优选的实施方式,在步骤(2)中,采用模糊化控制的方法进行权重分配。
[0159] 在进一步优选的实施方式中,步骤(2)包括以下子步骤:
[0160] (2.1)对参考信号进行模糊化,得到参考信号的语言值,即∣E∣;
[0161] (2.2)根据权重分配数据库和权重分配规则库对∣E∣进行模糊推理,然后利用重心法进行去模糊化得到权重的语言值;
[0162] (2.3)利用去模糊因子将权重的语言值转换为实际值,得到常规PID控制的权重,即x1,以及模糊PID控制器的权重,即x2。
[0163] 根据本发明一种优选的实施方式,在步骤(3)中,所述数据处理如下进行::
[0164] a、将常规PID控制器的常规PID控制量u与常规PID控制器的权重x1进行相乘处理,得到u*x1,同时,将模糊PID控制器的模糊PID控制量u’与模糊PID控制器的权重x2进行相乘处理,得到u’*x2;
[0165] b、将得到的相乘结果u*x1和u’*x2进行加和处理,得到所述系统的PID控制量u系。
[0166] 本发明所具有的有益效果包括:
[0167] (1)本发明所提供的控制系统巧妙地将常规PID控制器与模糊PID控制器进行结合,这样,既保证了在常态飞行时的稳定性,又保证了在突发情况下的自适应性;
[0168] (2)相对于常规PID控制,能够有效减小超调量,加快响应速度,降低对扰动的敏感性,且具有自适应能力;
[0169] (3)相对于模糊PID控制,能够降低由于PID参数变动引起的响应曲线不平滑,从而增大模糊PID的参数调节裕度,且能够消除模糊PID在稳态时可能存在的静差;
[0170] (4)本发明所提供的控制系统以模糊控制为手段对常规PID控制器和模糊PID控制器进行权重分配,实现了权重分配的软切换,并保证切换的平滑性;
[0171] (5)本发明所提供的控制系统易于在工程上实现;
[0172] (6)本发明所述方法简单、易实施。
[0173] 实施例
[0174] 以下通过simulink仿真实验进一步描述本发明。不过这些实例仅仅是范例性的,并不对本发明的保护范围构成任何限制。
[0175] 在simulink仿真实例中,采用本发明所述系统,设定ke=2,kec=1,kuP=0.55,kuI=0.2,kuD=0.1,其中,令输入的
俯仰角为10°,仿真时间为30秒,在t=15s处加上大小为10°的冲激信号作为扰动,对本发明所述系统进行测试,结果如图9所示。
[0176] 对比例
[0177] 对比例1
[0178] 在与实施例相同的条件下进行,区别在于:采用常规PID控制系统,结果如图9所示。
[0179] 对比例2
[0180] 在与实施例相同的条件下进行,区别在于:采用模糊PID控制系统,结果如图9所示。
[0181] 对图9所述仿真结果进行分析,可知:
[0182] (1)对实施例1以及对比例1~2相对于控制信号的超调进行比较:
[0183] 观察在0~6s内的试验结果,实施例相对于控制信号的的最大超调约为17%,而对比例1相对于控制信号的的最大超调约为27.5%,对比例2相对于控制信号的的最大超调约为19%;可见,本发明所述系统的实验结果明显优于对比例1和对比例2,甚至在有外界干扰下,本发明所述系统的控制也优于单纯的模糊控制(对比例2);
[0184] (2)对实施例1以及对比例1~2的稳定状态进行比较:
[0185] 观察在6~15s内的试验结果,实施例与对比例1无静差,而对比例2有静差,可知,即使本发明中也采用了模糊PID控制器,但是在常规PID控制器的高权重制约下,所述系统并不会存在静差;
[0186] (3)对实施例1以及对比例1~2的响应时间进行比较:
[0187] 实施例1和对比例2的响应时间为6s,而对比例1的响应时间为10s;
[0188] (4)对实施例1以及对比例1~2的受扰动情况进行比较:
[0189] 实施例相对于
扰动信号的最大超调为18%,回复到稳态的时间为3s;对比例1相对于扰动信号的最大超调为27.5%,回复到稳态的时间为5s;对比例2相对于扰动信号的最大超调为16.5%,回复到稳态的时间为3s。
[0190] 由上可知,(a)本发明所述系统相对常规PID控制,超调量由27.5%减少到17%,达到稳定的时间减少40%;(b)相对模糊PID控制,稳定状态可以达到无静差,在不影响响应曲线平滑性的要求下模糊PID参数的调节范围扩大3~5倍。因此,本发明所述系统不仅兼具了常规PID控制器和模糊PID控制器的优点,而且其性能要优于常规PID控制器和模糊PID控制器。
[0191] 对比例3
[0192] 采用与实施例相同的控制系统以及相同的条件下进行试验,区别在于,本对比例的控制系统中,权重的语言值X1/X2的隶属度函数非等腰三角形隶属度函数,具体见图10,并将该对比例3的试验结果与实施例进行比较,如图11所示。
[0193] 由图11可以看出,相对于实施例,该对比例的响应速度变慢,响应时间增加0.5秒,遇扰动时最大超调由实施例的18%增加为27.5%。
[0194] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明,不过这些实施方式仅是范例性的,仅起到说明性的作用。在此基础上,可以对本发明进行多种替换和改进,这些均落入本发明的保护范围内。