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模糊PID控制在飞行控制系统中的应用 覃 燕 （北京航空航天大学自动化学院 北京 100083） 摘 要 飞机在飞行过程中，飞行参数随着飞行条件的变化而发生较大变化，呈现严重的非 线性，给控制系统的设计带来较大困难。该文基于对一般增益调整型模糊PID控制的研究， 提出了比例因子自调整模糊PID控制，在此基础上设计了俯仰通道的自动驾驶仪，仿真结果 表明该控制方式有效的提高了系统的动态特性、稳态精度和鲁棒性。 关键词 模糊控制 飞行控制 比例因子 飞行控制系统的设计要求控制参数具有较强的鲁棒性。设计一种鲁棒性强的控制器对 于参数变化剧烈的被控对象是很有通用性的。多种类型模糊控制器可分别用于自动控制、 模式识别、优化组合等不同的场合，它具有特别适合于那些难以建立精确数学模型、非线 性、参数变化范围大和大滞后过程的控制系统，因此将模糊控制用于飞行控制系统的设计 是很合适的。例如，对于非线性控制，模糊控制器有能力控制非线性系统，因为模糊控制 本身就是一种非线性控制；对于操纵耦合，将飞行员总结出模糊控制规则，应用到前馈模 糊控制器中，补偿不期望出现的输出，从而解除操纵耦合；而对外部扰动敏感的问题，则 可以将控制规则与飞行员为适应外部环境而采取的操纵动作相结合，从而改善控制系统的 性能。但是，由于建立起一套完善的多输入多输出飞行控制系统，仅仅依靠专家知识完善 模糊规则库几乎是不可能的，从而引发模糊控制的另一个问题——模糊控制器的调节。模 糊控制器目前主要的调节方法有遗传算法或基因算法、再励学习等[1]。引入这些智能学习 算法确实能够显著地改善模糊系统的动、静态精度。但是，由于这些调节算法的固有特点 以及起源，使得这些调节算法都需要消耗大量的时间，而且它们都是对模糊控制规则本身 进行调整，随着系统复杂性的增加，它们根本无法在线实时完成模糊控制规则调节。 模糊控制器的规则库和隶属函数是事先确定的，控制效果不太理想时，简单依靠增加 [2] 规则不是好的办法，合理的对比例因子进行在线调整能够提高模糊控制器的参数效率 。 本文研究了比例因子对控制的影响。固定的比例因子往往难以满足要求，本文提出的模糊 PID控制方式能够对比例因子进行在线调整，从而进一步改善了控制的效果。 1 飞行控制系统俯仰通道的数学模型 飞行控制系统的设计可以分解为三个通道的独立设计。以俯仰通道为例, 从飞机的受 力分析、力矩平衡入手列写微分方程, 若仅考虑机体的姿态变化, 且忽略速度变化的影响 和一些次要因素, 如重力影响、下洗延迟等, 采用小扰动法理论, 则可得到飞机纵向短周 [3] 期运动简化方程组 : d 2 Θ dΘ +a +a α −a δ  2 1 2 3 z dt dt  dθ  −a4α a5θz （1）  dt Θ +  θ α  这是飞行控制系统设计中经常遇到的方程组，其中，Θ,θ,α分别为飞机姿态角、倾角 和迎角；a ～a 为飞机的动力系数，它们代表机体的重要动力学特性。对上式取拉氏变换 1 5 并经过相应的计算，可得出飞机纵向传递函数的标准形式: