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1、第20卷第1期计算机仿真2003年1月文章编号:1006-9348(2003)01-0047-03利用Matlab优选PID参数及其在飞控系统设计中的应用1122孙明玮,韩京梅,陈增强,袁著祉(1.中国航天科工集团公司第三研究院研发中心,北京100074;2.南开大学信息技术科学学院自动化系,天津300071)摘要:该文充分利用Matlab中的Simulink工具,对于飞行控制系统的PID参数进行优化,以达到同时保证良好的动态品质特性与充分的鲁棒稳定裕度。给出了完整的设计与分析过程。数学仿真则验证了该方法的有效性。关键词:PID控制;飞行控制系统;优化中图分
2、类号:TP391文献标识码:A1引言题,它等于把对于控制参数的选取转变为对于权函数的选在现代控制理论发展日新月异的今天,新型的复杂算取,也并没有从根本上解决问题。法层出不穷,如最优控制、自适应控制、鲁棒控制、变结构但是随着最近几年计算机技术的不断发展和Matlab等控制等,以至到最新的模糊控制和神经网络控制等。但是控制系统CAD软件中工具箱的不断完善,我们发现常规PID在工程实践中,传统的PID控制策略依然被广泛采用。PID控制器的设计优化问题很容易解决,而省略掉许多烦琐的中控制简单、可靠,物理意义明显,目前仍被广泛地应用在实间过程。本文在这方面进行了一些探
3、索,并用来优选飞行控际工程控制中。PID控制经过近80年的发展,已形成了众制系统的姿态控制参数,仿真结果说明了该方法的有效性。多的参数整定方法。目前PID控制器设计方法大致可分为最后,我们指出这一方法可以很容易地推广到其它控制方法4类[4],第一类是PID参数的获得根据经验整定或试凑,有的参数优化上来,从而比较彻底地解决了人工选取工作量大些方法根据自学习原理或大量的实践经验发展成为PID自和效果不理想的问题,具有很强的工程应用价值。整定算法或专家系统整定方法;第二类是依据某种与误差有关的最优性能指标,通过优化指标值来完成设计,常见2问题的提出与解决的指标有I
4、SE和ITAE等;第三类方法更多地考虑闭环系统考虑如图1所示的单位反馈系统,其中‰P(s)为被控对的内部特性;第四类方法是按照H∞和μ分析等鲁棒设计象,C(s)为控制器。对于常用的PID控制器来说,取为如下形方法进行参数选择。式:在飞行控制系统的设计中,常用的方法是利用小扰动分KI析建立俯仰、航向与滚动三个通道的近似线性模型,然后针C(s)=Kp+s+Kds(1)对其进行PID控制参数的选取,既要保证比较好的动态品质对于一般的对象而言,由于纯粹的微分环节无法实现,通常使特性(如快速性与弱超调性)等,又因为小扰动模型是一种简用惯性微分。但是对于飞行控制系统的姿
5、态角回路,现在大化模型,因此需要系统具有较好的鲁棒性(如适当的幅值裕量选用的角速率陀螺信号可以直接敏感角速率信号,然后通度与相角裕度等)。因此,控制器的设计要兼顾性能鲁棒性过内部的积分得到姿态角度信号。因此可以直接使用PID控与稳定鲁棒性。传统的设计方法往往只考虑性能特性,而对制器的原始形式(1)。具体的飞行控制系统的控制原理图如于鲁棒性的检验是在参数选取出来之后进行验算,如果不满图1,这是纵向通道的俯仰角控制回路,为了说明的简便,在这足指标要求再重新进行选取,不仅工作量大,而且参数的选[3]里我们忽略了舵机的惯性延迟,而认为它是理想的。为了择比较盲目,很难
6、达到最佳。改善系统的阻尼特性,通常在内回路中引入角速率反馈。H∞控制理论是新近20年来发展起来的鲁棒控制方法,[4]具有同时兼顾动态性能与鲁棒稳定的功能。尽管它的理论体系比较完整,结果比较漂亮,但由于标准形式所需要的数学理论比较多,而且得到的控制器由于往往阶次很高而难于应用。另外,H∞控制中的权函数选取是一个比较麻烦的问收稿日期:2002-05-10图1飞控系统俯仰姿态回路控制原理图—47—现在存在的大量控制设计方法,无论是古典的PID方法,还是现代的设计方法,无不涉及到参数的选择工作。对于参数的选择,需要同时兼顾闭环动态响应的品质与系统的鲁棒性,往往是一个
7、需要反复试凑的综合过程,即首先考察系统响应是否令人满意,然后计算幅值和相角裕度等鲁图2图1的Simulink实现框图棒性指标,如果不满足要求再重新选取,直到达标为止。的控制参数,在这里分别是比例、积分和微分系数Kp、Ki和控制系统仿真CAD软件Matlab中的Simulink由于使用Kd,并可以给出它们的优化范围分别是[0,10]、[0,1]和[0,了图形界面,使得系统仿真变得十分容易而且直观,传统的1],如图4所示。点击Optimization下的Uncertainty菜单后,可程序编写工作转换为简单的框图连接。特别是其中的非线以选择模型某些参数的不确定性
8、范围,以保证控制器设计的性控制设计模块(Nonlin
