资源描述：
《基于模糊PID控制的飞机纵向航迹建模与仿真.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、科技论坛·25·基于模糊PID控制的飞机纵向航迹建模与仿真马兰张锐（中国民航大学空中交通管理学院，天津300300）摘要：本文提出了一种基于模糊PID控制建立飞机纵向控制仿真模型的方法。在六自由度模型和BADA模型基础上，建立飞机纵向控制系统的数学模型，并设计模糊自适应PID控制器对模型进行改进.在飞行下降段模拟中，与PID控制进行对比实验，仿真结果证明模糊PID控制器在仿真应用中更具稳定性和快速性，仿真得到的飞行航迹符合飞行性能限制的要求。实验所仿真的下降段是整个飞行过程的一部分，所建立的模型是否适用于其他飞行段，有待进一步的验
2、证。关键词：六自由度运动学模型；BADA模型；飞机动力学模型；模糊PID控制；航迹仿真1概述基于航迹的运行管理成为未来空管的发展趋势，依据预报的飞行航径中的各点空间位置（经度、纬度和高度）和时间，可以显著地减少航空器航径的不确定性，提高空域和机场资源的利用率与安全性,准确快速的4D航迹生成和预测成为推动TBO发展至关重要的一环[1]。建立航迹预测系统的数学模型有两种基本方法:一种方法是根据实际飞行测试的数据或采集的雷达数据,按一定的数学方法,归纳图1模糊PID控制模型结构图出航迹预测的数学模型,这种方法称为系统辨识法或试验分析法；
3、另一种是根据飞行控制系统内部的运动规律,分析各种变量间的因果关系而建立起来的航空器飞行控制的数学模型,再综合考虑影响飞行的各种要素仿真来获得飞行航迹,这种方法称为机理建模或理论分析法。在飞行控制系统的设计中，有两个最重要的环节，即控制系统的数学模型设计和控制器的整定。在对控制系统的运动机理、内部规律比较了解的情况下,适合应用机理建模法.用这种方法建立的数学模型,能科学地揭示系统内部及外部的客观规律,因而代表性强,适应面广。在众多的飞行控制仿真模型中，Eurocontrol的BADA模型[2]和FAA的6自由度模型[3]应用最为广泛
4、。本文依据6自由度飞行控制模型建立飞机纵向控制的数学模图2PID模块的结构图型,建立状态空间模型。结合PID控制和模糊控制,设计模糊PID自适应控制器,实现仿真过程中自适应PID参数调节，改善被控模型的动态性能和稳态性能，与PID进行对比验证，仿真得到的航迹具有更高的精度。2建立飞机纵向控制数学模型文献3飞机运动模型的工程分析和工程设计,详细阐述了建立飞机六自由度运动模型所用的理论和方法,依据六自由度模型进行解耦，使用速度微分方程和航迹角微分方程，建立飞机纵向控制的状态空间模型,模型中作用力的计算采用BADA中的升阻力模型和大气环
5、境模型。模型状态方程:图3两种PID控制效果的对比图（1）模型输出方程:（2）式中：V为真空速，m/s；T为飞机发动机推力，N；琢为迎角，rad；D为空气阻力，N；L为升力，N；m为飞机质量，kg；酌为航迹角，rad；g为重力加速度，m/s2;h为飞机当前高度，km；为飞机下降速度，m/s。升阻力模型：（3）式中：CL为升力系数；CD为阻力系数；籽为飞机所处高度的空气密度，kg/m3；S为机翼面积，m2；为不同阻力的系数。图4垂直速度剖面图基金项目：国家自然基金项目(U1333116)资助，SupportedbyNationalN
6、aturalScienceFoundationofChina(U1333116)。作者简介：马兰（1966-），女，副教授，博士，研究方向为交通运输规划,空管信息处理。通讯作者：张锐（1985-），男，研究生，研究方向为交通运输规划。·26·科技论坛4仿真实例结果与分析本文研究目的是建立飞机纵向控制系统的仿真模型，获得高精度的飞行航迹。研究思路：综合了BADA和ADM中必需的局部模型，考虑了影响纵向飞行控制的诸多因素，确定了飞机纵向控制系统的数学模型；为了提高系统控制质量，控制器参数的整定使用了模糊自适应PID控制器整定设计，该方
7、法实现简单、方便易用，可以在仿真过程中不断修正控制参数，改善被控模型的动态性能和稳态性能，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。建立好了飞机纵向控制系统的理论模型，使用matlab仿真软件图5速度剖面图实现此模型的仿真程序，进一步进行仿真实验的验证。实验目标：a.验证的适用性与传统PID控制器的对比验证，得到模糊自适应PID控制器优于传统PID控制器。b.验证所建立的飞机纵向控制模型的性能，能否达到预期的设计目标。选取较为稳定的飞行段作仿真实验，易于实现和验证控制器的功能性和适用性。实验结果分析：a.模糊自适应PID控
8、制器与传统PID控制器对比实验结果见图3。图6飞行高度剖面图图3中模糊PID控制的超调量低于传统PID，达到稳定的时间表1实验使用数据表相近，模糊PID控制有一定的优势，不过不是很明显，原因可能在模糊规则库设定需要改进。b.基于模糊自适应PID控制
