王 剛,寧方清,陳中祥（江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所五室,563000）

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模糊控制在垂直發(fā)射導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)回路中的應(yīng)用

王 剛,寧方清,陳中祥
（江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所五室,563000）

摘要：針對導(dǎo)彈在垂直發(fā)射過程中燃?xì)舛鎻?fù)雜及非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制器控制三回路，該控制器將工作人員的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合其中，利用模糊控制理論能夠在線實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)，克服了傳統(tǒng)PID控制器的一些缺點(diǎn)，通過Simulink仿真表明，該控制器可使性能得到明顯改善。證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：模糊控制;模糊PID控制

0　引言

傳統(tǒng)的固定PID參數(shù)在三回路調(diào)整中，如果調(diào)整時(shí)間短，則超調(diào)非常大（由于實(shí)際陀螺測量范圍有限制因此不適合），如果超調(diào)小則，則調(diào)整時(shí)間長（必須和I，II回路一起調(diào)整，容易引起耦合），在實(shí)際應(yīng)用中由于角速度最大值和時(shí)間都有限制，因此需要改進(jìn)方法以滿足實(shí)際的控制需要。

垂直發(fā)射導(dǎo)彈在垂直發(fā)射過程中姿態(tài)發(fā)生很大的變化。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎方法中有先轉(zhuǎn)滾轉(zhuǎn)，再進(jìn)行姿態(tài)變化，也有直接進(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)換。采用先進(jìn)行滾轉(zhuǎn)，可以減少后面姿態(tài)調(diào)整的耦合（前提是滾轉(zhuǎn)角大于90度的情況下，如果滾轉(zhuǎn)角小于90度則就不需要本文的控制方法），本文以快速滾轉(zhuǎn)的三回路為研究對象用模糊PID進(jìn)行整定，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明在不確定條件下，并且角速度最大值有限制，模糊控制具有快速性等特點(diǎn)。

模糊控制器是近年來發(fā)展起來的新型控制器，其特點(diǎn)是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理的方法，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

1　模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

1.1 模糊自適應(yīng)PID控制器的原理

模糊自適應(yīng)PID控制器是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法，把控制規(guī)則的條件、操作用模糊集來表示，根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況（系統(tǒng)的輸入、輸出），運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

1.2 模糊自適應(yīng)PID控制器的控制結(jié)構(gòu)

PID控制器的控制算法為：

u(t)為控制器輸出量，e(t)為誤差信號(hào)，分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。輸入?yún)?shù)是e(t)，輸出參數(shù)是在運(yùn)行中不斷檢測E再根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對進(jìn)行在線調(diào)整。

1.3 PID參數(shù)自整定方法

本系統(tǒng)采用不依賴受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，決定控制量的大小，從系統(tǒng)的響應(yīng)速度、超調(diào)量來考慮的作用如下：

比例控制作用：系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取訣于比例系數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。

積分控制作用是能對誤差進(jìn)行積分以消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞。

微分控制作用是抑制被控量變化能力，即可以使超調(diào)減小。

1.4 控制規(guī)則確定

模糊控制器輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進(jìn)行的。因此，控制器首先對輸入量進(jìn)行模糊化處理。在本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器中，輸入、輸出的語言值均為7個(gè)語言值：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，隸屬度函數(shù)采用類三角函數(shù)。

1.6 量化因子和比例因子

輸入量根據(jù)實(shí)際的物理意義將最大值乘以一定的比例系數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊控制量的論域里。

1.7 模糊推理及解模糊化

本設(shè)計(jì)采用Mamdani方法進(jìn)行推理。解模糊的方法采用重心法。

2　仿真試驗(yàn)

充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后0s～0.5s，而現(xiàn)在的方案是不用這個(gè)時(shí)間段推力。因此充分利用此時(shí)間段推力，減少后面轉(zhuǎn)彎的壓力以及氣動(dòng)耦合。

圖1　滾轉(zhuǎn)角

試驗(yàn)是在XX型號(hào)的基礎(chǔ)上加上燃?xì)舛鏀?shù)據(jù)進(jìn)行三回路控制，I回路和II回路不控。

模糊控制工作在0s～0.5s，以后進(jìn)行平滑轉(zhuǎn)入到傳統(tǒng)的三回路設(shè)計(jì)（兩種控制方式的切換采用加權(quán)方法）。經(jīng)過高低溫、燃?xì)舛胬珯z驗(yàn)，角速度均沒有超過最大值250°/s。最大舵偏角速度都限制到了350°/s。以滾轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)90度為例。滾轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角速度、舵偏角速度具體曲線見圖2。

圖8　舵舵偏角速度

圖9　舵舵偏角速度

3　結(jié)論

本文研究了模糊控制在導(dǎo)彈三回路控制中的應(yīng)用，該方法抑制了超調(diào)并縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了此方法的有效性和可行性。

圖2　舵舵偏角

圖3　舵舵偏角

圖4　舵舵偏角

圖5　舵舵偏角

圖6　舵舵偏角速度

圖7　舵舵偏角速度

The application of fuzzy control in the vertical roll loop of missile

Wang Gang,Ning Fangqing,Chen Zhongxiang
（Jiangnan Institute of mechanical and electrical design five,563000）

Abstract：According to the characteristics of missile vertical launching of gas rudder complex and nonlinear design a fuzzy PID controller to control the three loop,the controller will staff experience with them,by using fuzzy control theory to online real-time tuning PID parameters, overcome some of the shortcomings of traditional PID controller,by Simulink simulation showed that, the controller can make performance has been significantly improved.The validity of the method is proved.

Keywords：fuzzy control;fuzzy PID control