数字式显示仪表设计及无人机纵向自动控制毕业设计

-1-数字式显示仪表设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章数字显示仪表的工作原理 11.1数字式显示仪表的基本构成 11.2数字仪表的主要技术指标 11.3线性化问题 21.4信号的标准化及标度变换 3第2章数字显示仪表的设计方案 42.1ICL7107双积分A/D转换器 42.2LED显示器 82.3主要集成块 9第3章数字显示仪表的安装 103.1数显部分的安装 103.2电源部分的安装 10第4章结论与体会 11参考文献 12第1章数字显示仪表的工作原理1.1数字式显示仪表的基本构成不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。不带微处理器的数显仪表一般应具备模数转换，非线性补偿及标度变换三大部分，这三部分又各有很多种类，三者间相互巧妙的组合，可以组成适应于各种不同要求场合的数字式显示仪表。尽管数字仪表的品种繁多，原理各不相同，但其基本构成形式可由图1-2所示的主要环节组成。模一数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，将仪表分为模拟和数字两大部分。图1-1数字显示仪表的基本构成被测对象图1-1数字显示仪表的基本构成被测对象传感器模数转换计数译码模拟开关时钟逻辑控制电路标度变换基准源线性化器数字显示打印记录数码输出报警系统前置放大仪表的数字部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。来自传感器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的各种干扰成分，因此在其转换成数字量前，首先要进行滤波与放大。前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。在数字仪表中，逻辑控制电路起着指挥整个仪表各部分协调工作的作用。它是数字仪表中不可缺少的环节之一。另外，高稳定的基准电源和工作电源也是数字仪表的重要组成部分。被放大的模拟信号有模-数转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。也可以送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印。1.2数字仪表的主要技术指标（一）显示位数以十进制显示被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“0～9”的数字位称为“满位”；仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或“位”。工业用数字温度显示仪表的显示数常为3位，可显示-1999～1999。高精度的数字表显示位数目前达到8位。（二）仪表的量程仪表标称范围的上、下限之差的模，称为仪表的量程。量程有效范围上限值为满度值。（三）精度目前数字式显示仪表的精度表示法有三种：满度的±a%±n字、读数的±a%±n字、读数的±a%±满度的b%。（四）分辩力和分辨率数字仪表的分辩力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值，它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程下的分辩力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辩力，并以此作为该仪表的分辩力指示。分辩率指仪表显示的最小值与最大数值之比。（五）输入阻抗数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达1012Ω。（六）抗干扰能力数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力大小。串模干扰抑制比（SMR）为：SMR=20lg共模干扰抑制比（CMR）为：CMR=20lgSMR和CMR的单位是分贝，数值越大，表示数字仪表的抗干扰能力越强，一般直流电压型数显仪表的串模干扰抑制比为20～60dB，共模干扰抑制比为120～160dB.1.3线性化问题常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的工作：（1）根据已知的传感器非线特性求得所需要的线性化器的非线性特性。非线性特性的求取可用数字解析表达式，也可用图解法求得。（2）根据所求得线性化器的非线性特性，采用非线性补偿电路来实现非线性补偿，而对非线性曲线的处理一般都采用折线逼近法。1.4信号的标准化及标度变换由检测元件或传感器送来的信号的标准化或标度变换是数字信号处理的一项重要任务，也是数字显示仪表设计中必须解决的基本问题。一般情况下，由于被测量量和显示的过程参数多种多样，因而仪表输入信号的类型、性质千差万别。即使是同一种参数或物理量，由于检测元件和装置的不同，输入信号的性质、电平的高低等也不相同。将不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或则称为参数信号的标准化。对于过程参数测量用的数字显示仪表的输出，往往要求用被测变量的形式显示，图1-3为一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可以表示为：（1）数字输出模拟输入S2S3数字输出模拟输入S2S3S1模拟部分模数转换模拟部分模数转换数字部分图1-2数字仪表的标度变换图1-2数字仪表的标度变换式中s数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数；、、分别为模拟部分、模-数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。

第2章数字显示仪表的设计方案2.1ICL7107双积分A/D转换器ICL7107CPL是3位半双积分A/D转换器大规模集成电路，它的作用是把输入电压信号变成数字输出，并驱动显示器。其内部结构包含模拟和数字两大部分。模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器电路。数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、控制器、相位驱动器等电路。ICL7107有以下特点：1、内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读书为零；2、内部有极性判别电路，即使输入电压和小也能正确区别极性并显示出来；3、内部有时钟电路。可以外接RC器件产生自激振荡可以由外部时钟输入；4、内含供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；5、输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；6、与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。ICL7107模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分、反向积分三个阶段：1、自校零位（A/Z）阶段模拟电路部分的模拟开关A/Z接通，其余开关全部断开，电路进入自校零状态。2、信号积分（INT）阶段模拟开关INT接通，其余开关均断开—负反馈贿赂断开、输入断短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。3、反向积分（DE）阶段模拟开关DE+或DE-接通，与输入电压V1反极性的基准电压VREF接入积分器，同时计数器从零开始记数，反向积分阶段开始。当积分器输出电压为零时，计数器停止记数，锁存器存储计数器的记数结果，经译码由发光二极管显示器显示输入电压V1的数值，依次转换结束。反向积分阶段一结束，电路既自动转入自校状态开始下一个转换周期。受ICL7107本身特性所决定，基本量程为200MV和2V，每个测量周期为4000,是计数脉冲的周期。其中，信号积分时间,固定不变，为一个转换周期。根据双积分转换原理求得结果为：将，代入上式，得：或既N是以为单位的测量值。满量程时，此时。三位半的最大显示数为1999，满量程时将显示过载符号“1”。双积分式A/D转换器地优点是：对积分元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。ICL7107的逻辑电路:逻辑电路包括八大单元：时钟脉冲发生器、分频器、计数器、锁存器、译码器、大电流反相驱动器、逻辑控制器、LCD显示器。时钟脉冲发生器:由于双积分式转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器，只要采用阻容多谐振荡器即可。振荡器是由芯片内的两个非门外接、组成的多谐振荡器。振荡频率：为提高抗干扰能力，选、使与电网频率呈整数倍关系。电子计数器:包括计数、锁存、译码、气段输出、驱动。时序逻辑控制电路:时序逻辑控制电路接收比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输出四个指令：一是个模拟开关的控制信号，使模拟开关按规定时序切换；二是闸门信号，控制计数脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”、“-”号控制；四是超量程控制，超量程时，千位显示“1”，其余数码消隐。（一）ICL7107D的双积分A/D转换ICL7107D模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）三个阶段。自校零（A/Z）阶段模拟电路部分的模拟开关A/Z接通，其余开关全部断开，电路进入自交零状态。这时模拟输出端与公共模拟端COM短路AZ、比较器输出端、输入端接通负反馈回路。电路中的总飘逸电压对自校零电容充电，以记忆并抵消漂移电压对转换的影响。与此同时基准电容被基准电压充电至。信号积分(INT)阶段模拟开关INT接通，其余开关均断开—负反馈回路断开、输入端短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。输入信号经过缓冲器送至积分器，大大提高了转换器的输入阻抗。本阶段的积分时间=1000，既1000个时钟脉冲计数时间。比较器输出电位送到控制逻辑电路，以决定反相积分阶段进入基准电压的极性。反相积分（DE）阶段模拟开关或接通，与输入电压反极性的基准电压接入积分器，同时计数器从零开始计数，反相积分阶段开始。当积分器输出电压为零时，计数器停止计数，锁存器存储并计算器的结果，经译码由发光二极管显示器显示输入电压的数值，一次转换结束。反相积分阶段一结束，电路既自动转入自校状态开始了下一个转换周期。受ICL7107本身特性所决定，基本量程为200MV和2V，每个测量周期为40000,是计数脉冲的周期。其中，信号积分时间=1000，固定不变，为一个转换周期。根据双积分转换原理求得结果为:（2）双积分式A/D转换器地优点是：对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。（二）ICL7107的逻辑电路由于ICL7107驱动LED显示器，因此它的数字电路部分较ICL7106略有差异，因为驱动LCD不仅要有锁存器，还要有驱动LCD的公共电极所需要的对称方波电源（驱动LED无需这一点源），但驱动LCD几乎不需要电流，而驱动LED每断需5~8V电流（吸入），因此两者输出部分略有不同。图2-2是ICL7107的逻辑图。这些都是标准结构。图2-1ICL7107的逻辑图逻辑电路包括八大单元：时钟脉冲发生器；分频器；计数器；锁存器；译码器；大电流反响驱动器；逻辑控制器；LCD显示器。时钟脉冲发生器由两个反相器f1f2部元件R﹑C组成。若取R=120KΩ，C=100PF，则f0=0Hz，数脉冲fep=100Hz,fcp=0.1ms,T=4000Tcp显示器采用七断显示方式，其中个位、十位和百位十字部分分成a、b、c、d、e、f、g、七断，再加上千位K和符号位P，不同断发光，可以显示出不同的数字。对7107：来说，因为发光二极管需要极大驱动电流，故驱动电流吸入电流增大至8mA，对千位数字，K断有两个显示断，所以7107的第19脚吸收电流可达16mA。（三）时钟脉冲发生器由于双积分式的转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器，只要采用阻容多谐振荡器即可。振荡器是由芯片内的两个与非门外接R0C0（3）为提高抗干扰能力，选R0C0使f0与电网频率成整倍数关系，一般f0（四）电子计数器包括计数、锁存、译码、七段输出、驱动。计数器采用“8421”编码，有个、十、百三个二-十进制计数器，级联使用，每位计数器有四个触发器。另有千位计数器是“半位”，只能显示数字1，所以用一个触发器即可。锁存器亦采用触发器组成，受逻辑电路所存指令控制，所存指令到来，只接受代码而不输出。解锁指令到来才将代码送译码器。译码器完全是由门电路达成的组合逻辑电路，将BCD译码成七段码笔划。译码输出的笔划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和50Hz方波相异或。（五）时序逻辑控制电路时序逻辑控制电路接受比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输出四个指令：一是各模拟开关的控制信号，是模拟开关按规定时需切换；二是闸门信号，控制技术脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”、“-”号控制；四是超量程控制，超量称时，千位显示“1”，其余数码消隐。2.2LED显示器数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。（一）发光二极管在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压发光器件。它的特点是：①低电压（1.5~2.2V）,小电流（5~30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。②发光响应速度快，高频特性好，能显示脉冲信息，单色性好，寿命长。③由于LED工作PN结正向导通状态，性能稳定，只要加以必要的先留措施，就可以长期使用。使寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。④小型、防震、抗冲击性能好。⑤使用灵活、可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器、矩阵板、固体发光板等（二）LED显示器将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一级做笔画电极，就构成了LED数码显示器。如图2-3(a)所示。图2-2BS342管脚排列及内部结构（—）678910afbea图2-2BS342管脚排列及内部结构（—）678910afbead5432154321.dpg++（—）（a）管脚排列（a）管脚排列（b）BS342型（共阳极）2.3主要集成块MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位（二进制）数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，在这里采用MC1403作为基准稳压源供电，可以获得精密的电压基准。如图2-4所示。输出电压误差：2.5V±1%输出电压温度系数：10ppm/（typ）输出电流：10mA 输出电压范围：4.5-40V封装：8脚DIL陶封（代码U）；8脚DIL塑封（代码DSM）112345678图2-3MC1403的管脚排列

第3章数字显示仪表的安装数字显示电路部分的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。由于数显部分需要±6V的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。3.1数显部分的安装根据绘制的接线图，首先在面包板上把7107和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定7107的位置。同时要考虑“+电源”、“地”线的接法。其它芯片、电阻、电容电位器等围绕7107就近安排位置。3.2电源部分的安装由于数显部分要使用±6V的电源，这里采用两个三端集成稳压器。其中7806为固定标准正电压稳压器：7906为固定标准负电压稳压器。电源电路的器件包括电源变压器、整流桥、集成稳压器及电容。图3-1数显压力表原理图整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源的安全性、可靠性。因此，在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。同时注意220V电源线的引入方向、安全，防止短路，输出±6V电源要有“接线端子”。电源的安装首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，绘制的接线图需经检查无误后，才图3-1数显压力表原理图

第4章结论与体会这次的课程设计也让我看到团队的力量，必须发扬团结协作的精神，相互配合，相互学习，才能共同将电路板及接线方法做到最好。在团体实验中，个体的力量固然重要，但更重要的还是集思广益，群力群策才是试验成功的关键。在设计过程中碰到了很多难点，例如在安装数字式压力数显表头时，如果稍有马虎就会出现接线错误，所以要细心谨慎，电桥不平衡会使显示不正确。通过解决这些难点，提高了我分析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下感性认识的基础。通过本次课程设计，初步了解了从电原理图到实际接线所注意的要点，掌握了数显仪表原理图、接线图的绘制方法，还有原器件的识别，插接导线的布置。培养了实际动手能力和解决实际问题的能力。这次课程设计既是对我理论知识的巩固，又是对实践认识的培养，我收获了很多。参考文献[1]沙占友.数字化测量技术与应用[M].北京：机械工业出版社,2004.[2]井口征士.传感工程[M].北京：科学出版社.2005.[3]杨邦文.应用电子小制作150例[M].北京：人民邮电出版社.2005.[4]常健生.检测与转换技术[M].吉林：吉林工业大学出版社.2006.[5]张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书[M].大庆石油学院自编教材,2008.无人机纵向自动控制毕业设计绪论无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。无人机技术是一项涉及多个技术领域的综合技术，它对通信、传感器、人工智能和发动机技术有比较高的要求。如果在恶劣环境下作战，它还需要有比较好的隐身能力。无人机与所需的控制、拖运、储存、发射、回收、信息接收处理装置统称为无人机系统。无人机种类很多，不同的无人机可以完成不同的特殊任务。军用无人机的主要用途包括：战术侦察和地域监视、目标定位和火炮校射、电子侦察和电子干扰、通信中继转发、靶机和实施攻击等。与有人飞机相比，无人机具有多种优势：1、由于机上没有驾驶员，因此可省去驾驶舱及有关的环控及安全救生设备，从而降低飞机的重量和成本。2、无人机在作战时不会危及飞行员，更适于执行危险性高的任务。3、由于机上没有驾驶员，飞机可以适应更激烈的机动和更加恶劣的飞行环境，留空时间也不会受到人所固有的生理限制。4、在使用维护方面，无人机比较简单，而且费用低，操纵员只需在地面进行训练，无需上天飞行。无人机从产生到现在已有多年，早在70年代西方就产生用无人机进行对地攻击和格斗空战的构想，在美国还进行了大量飞行试验，但是由于技术上的难度，使这些构想无法实现。无人机存在的致命弱点主要有两个：一是自主作战能力差，由于无人机执行任务时需要有人参与遥控，其自主作战能力有限，因而缺乏有人飞机所具有的灵活性和适应能力。二是完成任务的有效性低，由于控制人员对无人机所处环境的了解必须借助远距离通信，而这种远距离通信又随时会被压制而中断，从而造成了人机之间无法及时、准确交流信息，影响了无人机完成任务的有效性。随着战场实时信息网(如JSTARS)和人工智能技术的发展，人—机之间的信息交换和无人机的自主工作能力有了很大提高，这就保证了无人机能够最大限度地发挥其特有的长处，从而使无人机技术成为对未来作战最有影响的技术之一。从低空，短航时向高空，长航时发展。老式的无人机滞空时间短，飞行高度低，侦察监视面积小，不能连续获取信息，甚至会造成情报“盲区”，不适应现代战争的需要。为此，美国陆军研制了“蒂尔”II超高空，长航时无人机。向隐形无人机方向发展。为了对付日益增强的地面防空火力的威胁，许多先进的隐形技术被应用到无人机的研制上。一是采用复合材料、雷达吸波材料和低噪声发动机。如美军“蒂尔”II无人机除了主梁外，几乎全部采用了石墨合成材料，并且对发动机出气口和卫星通信天线作了特殊设计，飞行高度在300米以上时，人耻听不见；在900米以上时，肉眼看不见。二是采用限制红外光反射技术，在机身表面涂上能够吸收红外光的特制油漆并在发动机燃料中注入防红外辐射的化学制剂。三是减小机身表面缝隙，减少雷达反射面。四是采用充电表面涂层还具有变色的特性：从地面向上看，无人机具有与天空一样的颜色；从空中往下看，无人机呈现与大地一样的颜色。从实时战术侦察向空中预警方向发展。美军认为，21世纪的空中侦察系统主要由无人机组成。美军计划用预警无人机取代E－3和E－8有人驾驶预警机，使唤其成为21世纪航空侦察的主力。向空中格斗方向发展。攻击无人机是无人机的一个重要发展方向。由于无人机能预先靠前部署，可以在距离所防卫目标较远的距离上摧毁来袭的导弹，从而能够有效地克服“爱国者”或C－300等反导导弹反应时间长、拦截距离近、拦截成功后的残骸对防卫目标仍有损害的缺点。如德国的“达尔”攻击型无人机，能够有效地对付多种地空导弹，为己方攻击机开辟空中通道。以色列的“哈比”反辐射无人机，具有自动搜索、全天候攻击和同时攻击多个目标的能力。无人机系统建立数学模型2.1假设条件要研究飞机动力学模型的姿态仿真，首先必须建立飞机的数学模型。在忽略机体弹性震动和变形的条件下，飞的运动可看成包含六个自由度的刚体运动，其中包含绕三个轴的三种转动(滚动、俯仰与偏航)和沿三个轴的三种线运动(前进、上下与左右)。为了确切地描述飞机的运动状态，必须选定合适的坐标系。本文采用两种坐标系：在确定飞机的位置时，采用与地面固连的地面坐标系（地面坐标系）：在描述飞机的转动与移动时，采用机体坐标系或气流坐标系(速度坐标系)。假设飞机是一个刚体，并且质量不变。假设地球是一个惯性参考系，忽略地球公转与自传的影响。假设地球是一个平面。假设重力加速度是一个常数。2.2常用坐标系地面坐标系：要想确定飞机在地球的位置；机体坐标系：描述飞机的转动；地面坐标系地面坐标系的原点A固定在地面的某点，铅垂轴AYd向上为正，纵轴AY图2.1地面坐标系机体坐标系机体坐标系的原点在飞机的重心上，纵轴OXt在飞机对称平面内，平行于翼弦，指向机头为正；立轴OYt也在飞机对称平面内并且垂直于OXt，指向座舱盖为正；横轴OZ图2.2机体坐标系2.3飞机参数无人机的运动参数就是完整描述飞机在空中飞行所需要的变量，一旦各项参数确定了，无人机在空中的姿态也就确定了。这些参数是飞控系统中的被控量。被控量包括俯仰角、滚转角、偏航角、迎角、侧滑角、航迹倾斜角、航迹偏转角；同时，可以利用副翼、方向舵、升降舵和油门杆来控制无人机的飞行姿态，这些称为无人机飞控系统中的控制量2.4十二阶非线性微分方程组根据牛顿第二定律F=ma可以列出无人机三轴力的动力学方程组：m(dVm(dVm(dV按建立的力矩方程组为:dd通过坐标变换可以得出无人机的运动学方程组。根据无人机三个姿态角的关系：ωxtdγdψdϑ同理，线位置的运动学方程组也用坐标变化的方法，可以得到：十二个一阶非线性微分方程组如下：mmmddddγdψdϑdLdHdZ采用微扰动法对这些非线性方程进行线性化。假定所有运动参数对某一稳定飞行状态的变化都是很微小的，它们的二次方及乘积可以忽略不记。因此，十二个一阶线性微分方程组可以化为：mmmddddγdψdϑdLdHdZ通过以上方程可以发现，关于dVzdt、dωxtdt、dωytdt、dω由于本文主要研究无人机纵向飞行相关特性，因此只列出了线性化后的纵向运动方程式的状态方程为：vαϑϑh其中，N3v=n3v-n3αn2α，N3a=n3a-n3an2a,N3ϑ=n3ϑ+常规PID和智能PID控制的思路和方法PID控制自从被提出以后，由于其结构简单、鲁棒性强以及容易实现等优点被广泛运用于工业控制中。在计算机进入到控制领域后，PID控制算法集成到许多硬件产品中。但随着工业生产的发展，控制系统变得越来越复杂，对相应的性能指标更加严格，常规PID控制已经无法满足工业生产的要求。近年来，人们把智能控制与常规PID控制结合起来，形成了所谓的智能PID控制。3.1常规PID常规PID控制有比例单元（P）、积分单元（I）、微分单元（D）三部分组成，其输入e(t)与输出u(t)的关系为：u式中Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，e(t)为被控量y(t)和设定值r(t)的偏差,e(t)=r(t)-y(t),令积分增益Ki=1Ti，微分增益K比例作用：决定控制器的稳定性、超调量、响应速度等动态指标。Kp由小到大时，系统的响应速度加快；超调量由没有到有，慢慢变大；稳定性总体是由强到弱。为了兼顾系统的稳定性和动态性能，应该取合适的比例系数K积分作用：积分调节与系统的稳态精度相关，加入积分能消除稳态误差，提高系统的跟踪精度，但过大的积分作用会造成系统的超调。同时积分的引入会给系统带来相角滞后，从而产生超调，甚至引起积分饱和。微分作用：主要是克服大惯性时间常数的影响，引入微分相当于系统引入一个动态阻尼，增大Td总之，在PID参数整定过程中，一般都会遇到系统的稳定性和系统稳态、动态性能之间的矛盾，最后只能在三者中取一个折中，很难满足高精度、高性能的要求。3.2PID参数的整定3.2.1临界比例度法将调节系统中调节器处于比例状态，将比例度δ由大逐渐变小，直至出现等幅震荡，此时比例度称为临界比例度δk，δk相应的震荡周期称为临界震荡周期表1临界比例度法PID参数整定参数调节比例度δ积分时间T微分时间TP2PI2.2δ0.85TPID1.70.5T0.125T3.2.2衰减曲线法将闭环系统中的调节器置于纯比例作用，从大到小逐渐调节比例度，加扰动做调节的实验直至出现4：1的衰减震荡，此时的比例度记为δs震荡周期记为Ts其中Ts为Y图3.1衰减曲线法参数整定表2衰减曲线法PID参数整定参数调节比例度δ积分时间T微分时间TPδPI1.2δ0.5TPID0.8δ0.3T0.1T3.3非线性智能PID的设计思想为了或者满意的系统性能，在控制中应采取灵活有效的控制方式，增强系统对不确定因素的适应性，各种新型PID控制算法层出不穷。智能控制是自动控制和人工智能的结合物。它包括基于知识推理的专家控制、基于规则的自学控制、基于联结机制的神经网络控制、基于模糊逻辑的只能控制和仿生智能控制等等。为了便于分析，以阶跃响应曲线为例说明如何根据系统的状态特征信息，适时改变PID的参数，以获得最佳的控制效果。图3.2系统阶跃响应（1）AB阶段这是系统由静态到动态再向稳态转变的关键阶段，此时，采取变增益控制，当系统输出与希望值相差较大的时候，比例作用可以适当增强，而当系统输出上升接近希望值时，比例控制作用要降低，同时可适当引入微分控制，既有利于减小超调而又不至于影响上升时间。(2)BC阶段在这一段中，e<0，e<0，即误差|e|向增大的方向变化，说明此时的系统输出正背离希望值。此时的控制量应致力于压低超调，使系统稳态误差减小。故应始终加强积分作用，而适当引入微分作用，比例作用始终起作用。(3)CD阶段在这一段中，e<0,e>0,即误差|e|向减小的方向变化，说明此时的系统输出正趋于希望值。如果再加强积分作用，势必造成控制作用过强，而出现回调，故应适当引入积分和微分作用。DE阶段在这一段中，e>0，e>0，即误差|e|向增大的方向变化，说明此时的系统输出背离希望值。此时应始终加强积分作用，而适当引入微分作用。3.4无人机智能PID控制算法为满足本系统的高性能指标，必须兼顾动态、稳态性能和稳定性：响应速度快(协调时间短)、稳态精度高(可以饱精度跟踪一定的信号、无稳态误差)、动态性能好(阶跃响应超调小、振荡次数少)。因此宏观上根据系统误差分为大误差区和小误差区。大误差区的目标是保证系统响应的快速性，提供足够的控制量，使系统能够快速进入小误差区；小误差区的设计目标是追求系统的精度，使得系统在进入小误差区后不会再退出到大误差区。（1）大误差区的设计：该区的任务是提供足够大的控制量，保证系统能快速进入小误差区，为此采用一种柔化的Bang-Bang控制。常规Bang-Bang控制的引入对系统的快速性有明显改善，但只有单一的控制量，有时要保证系统能跟踪较高的速度信号，Bang-Bang控制取的比较大，这样使得系统在跟踪阶跃时容易产生超调，而且该控制量与小误差区界面控制量不连续，易使系统产生振荡。选用的“柔化的Bang--Bang控制”，是比例控制和变形的Bang—Bang控制相结合的控制律。“柔化的Bang～Bang”控制量的一部分根据输入信号的变化率△y求取，可保证系统跟踪速度、加速度信号的快速性。“柔化Bang—Bang控制”与普通的Bang—Bang控制相比，它的控制量随误差和输入信号变化而变化，在小误差区界面的控制量并不大，可以避免系统出现大的超调；同时若将柔化Bnag—Bang控制量作为小误差区积分的初值，可以实现控制量的无扰切换，消除系统的振荡。（2）小误差区的设计：小误差区的主要任务是保证系统的精度，系统在进入小误差区后就不允许系统再进入大误差区。为了提高系统精度，又将本区分为多个小区。小误差区的控制律为：U=Kpe+U+Kde具体的智能控制规则如下：a．智能PID控制根据据误差的绝对值的大小，判别系统当前的运行状态，调整控制策略。b．积分初值ui0普通积分方法其初值为零，这样必然导致开始时控制量过小而不能发挥积分的作用，在一段时间后控制量又过大．引起积分滞后。而在本系统中这样做使得积分作用一开始就得以充分发挥，加快了积分过程，起到了尽快消差的目的，同时实现了无扰切换。c．比例、积分、微分系数的整定规则，在智能PID控制中，这三个系数的变化最能体现智能的概念。为追求高性能，将小误差区又分为若干个误差带，分别采用不同的控制策略使系统同时具有良好的动态性能与稳态性能。由于大误差区的控制量比较大，系统刚进小误差区时速度比较大，因此系统在进小误差区后，比例控制取得比较小，以减小控制量，避免产生大的超调；之后随着误差的减小，比例控制减弱，不利于系统跟踪高速度、高加速度的信号，因此要适当的加大比例的系数，加强比例控制的作用：对积分控制，系统进入小误差区后，必须引入积分以保证系统的跟踪精度。同样的系统刚进小误差区时，积分也取得比较小，以兼顾系统的动态品质，随着误差的减小，加强积分作用以保证系统的跟踪精度。比例、积分、微分系数按照某种事先确定的规则变化，只需调整三个系数的初值和变化规则，就能比较容易的找到一组适合本系统的系数。通过实际的调试表明该方法能在很大程度上缩短调试时间，取得满意的效果。纵向控制系统的分析与设计4．1飞行控制系统结构分析从硬件来看，无人机的飞控系统有飞控计算机、测定装置和私服装置三部分组成。飞控计算机是无人机飞控系统的核心设备，主要功能是根据输入的传感器信息、存储的相关状态和数据以及无线电测控终端发过来的上行遥控指令与数据，经判断、运算和处理之后，输出指令给私服装置。测定装置主要负责测量无人机相关的状态信息，一般无人机的测量装置包括三轴转向角速度陀螺、垂直陀螺、磁航向传感器、气压高度和高度差传感器、真实空速传感器、迎角和偏航角传感器、发动机转速传感器等等。伺服系统是以舵机为执行元件的随动系统，它是影响飞控系统带宽的主要环节。4.2飞行控制系统的模态通常，无人机的飞行控制系统有俯仰、航向和横滚三个控制通道，每个通道由一个控制面控制，但在横滚和航向之间常常有交联，设计自动驾驶仪一般就要考虑各通道的独立性和关联性。控制增稳系统的设计一般都是按照纵向和横侧向分开进行的、因此，在此基础上设计自动驾驶仪也要相应地分开，分别设计纵向通道和横侧向自动驾驶仪。纵向通道可以稳定与控制飞机的俯仰角、高度、速度等；横侧向通道可以稳定与控制飞机的航向角、倾斜角、偏航距离等。控制飞机的这些不同的变量，就对应了驾驶仪不同的功能模块。根据所控制的状态量，可以完成姿态(俯仰角，滚转角)保持、航向保持、自动改平、低高度拉起和高度保持等功能。4.3纵向控制律的设计方案4.3.1俯仰姿态角的控制整个俯仰角控制系统的原理结构框图如图所示。从图中我们可以看到，整个控制系统是由外回路(俯仰角反馈回路)和内回路(俯仰角速率反馈回路)构成的。其中，内回路中的俯仰角速率信号由俯仰角速率陀螺提供;外回路中的俯仰角信号由垂直陀螺提供。内回路中俯仰角速率反馈的引入相当于改变了无人机的纵向阻尼导数，增加了它的纵向阻尼，从而使其短周期模态的阻尼特性得到了改善:外回路则构成了俯仰角稳定回路，可以改善无人机长周期模态的阻尼特性。通常，还需要加入俯仰速率限幅以限制过载;在俯仰角指令入口处，要加上俯仰角限幅;如引入俯仰角加速度的话，还可以达到提高系统稳定性的目的。控制器俯仰控制器无人机舵机指令+ 升降舵指令无人机舵机 俯仰角素的反馈高通滤波器俯仰角素的反馈高通滤波器俯仰角反馈俯仰角反馈图4.1俯仰角姿态控制系统原理结构图图中，在阻尼回路中还包括了一个洗出网络，如果没有这个网络，当操纵飞机做稳态拉起的机动飞行时，阻尼器输出的稳态w2这样，整个无人机俯仰角控制系统控制律的结构就如图所示。图中，∆ϑc为给定的指令信号，∆ϑ为垂直陀螺测得的俯仰角信号，∆ω2为俯仰角速度陀螺测得的俯仰角速度信号。综上，其控制律可以表示成u= + 纵向控制模型舵机K2ϑ Δϑ纵向控制模型舵机KΔϑc - Δδ2 ΔKK图4.2俯仰角控制律结构图在实际工程中，微分环节通常用一个高通滤波器τsτs+1来实现，我们通过选择适当的τ值，就可以获得相应的相位超前信号。从频率特性来看，高通网络是一个阻低频通高频的网络，同时它也是一个能提供相位超前的网络，因此，我们就可以把高通滤波器看成是一个微分网络。其中1/τ的值越大，相位超前也就越大，我们所获得的信号也就越近似于微分信号。我们在后面的无人机纵1句与横侧向飞行控制律的仿真中都取τ同时，积分环节也可以根据定义xdt=xi∆t在软件中计算，其中因此，当采用常规PID控制时要注意采取必要的防止积分饱和的措施。而若采用智能PID控制就可以避免积分饱和的发生。由于我们在一开始的时候并不接入积分环节，只有当系统逐渐进入小误差区时才接入，使积分信号专门用来消除静差，因而不至于在整个过程中由于积分信号过大而使执行机构达到饱和，从而大大保证整个飞控系统的性能。无人机的纵向运动都是通过升降舵来自动控制的，所以可以把该运动的自动控制看成是一个单通道，这样便于用经典控制理论来研究。对于无人机的俯仰角控制，该控制律参数由两部分组成：阻尼回路（内回路）反馈增益K2ω2，接着，举例说明无人机俯仰角控制器参数的选取过程。若无人机在空中一点A（H=17194m，V=0.719Ma），已知无人机在A点的状态方程和输出方程可以表示为：其中式中：X=[βω因此，Y=[∆ϑ∆ω2]T∆ϑ(s)∆δ(s)=-5.2096s+0.3678从式中可以看出：系统的特征方程中包含有一个正根。可见，为了增加该无人机的机动性，无人机被设计为静不稳定的，因此必须加入飞控系统才能保证飞机的稳定性。另外，无人机的自然频率为2.54，阻尼比仅为0.14，可见，飞机自身的阻尼是很弱。从这一方面就可以看出，针对高空弱阻尼无人机而言，加入角速度反馈是必须的。KpKp-5.21s3-1.83s2-4.12s-0.18s-5.21-10++++Ki -K2∞4s4s+1SKd1K4sSKd1图4.3俯仰角PID控制图图中，-10s+10表示升降舵回路传递参数，4s4s+1表示升降舵通道的洗出网络。根据上图，可以用MATLAB里的rlocus函数根据阻尼回路的开环传递函数画出根轨迹图，其中根轨迹增益图4.4俯仰角速度回路根轨迹图有图可知，一开始随着K2ω2的增大，阻尼回路中的一对共轭复根的振荡阻尼得到了明显改善，当K2ω2增大到0.6时，振荡根的阻尼比达到最大值0.812.此后随着K2ω接着讨论无人机外回路中PID控制器参数的选取。一般地，为了获得满意的过度过程，通常要求系统具有45°到70°的相角裕度。查看相关资料规定，要保证飞控系统的幅值裕度不能小于6dB，相角裕度至少为45°。因此，这里采用基于相角裕度的设定法对PID参数进行整定。先设定期望的相角裕度∅m=60°,Kp=cos∅m|GjTi=α下面通过MATLAB仿真，看能否满足有足够的相角裕度和幅值裕度。通过MATLAB里的margin函数，可以得到其Bode图如下：图4.6基于PID的俯仰角控制系统Bode图有图可知，在该参数下，相角裕度为69.5度，幅值裕度为12.7dB>6dB，满足要求。表3智能PID俯仰角控制规则表误差比例几分微分＞0.5Kp加柔化Bang-Bang000.4Kp/0.8Ki/0.7Kd0.3Kp/0.8Ki/0.70.95*Kd0.2Kp/0.8KI/0.70.9520.1Kp/0.8Ki/0.70.953＜Kp/0.8Ki/0.70.954上表中，智能PID控制器参数的初值就是前面根据频域分析法得到的PID参数，其中Ki=Kp4.3.2俯仰角控制律的仿真在木文中，所有关于飞行控制律的仿真均在MATLAB平台下完成。下图即为无人机基于PID控制的俯仰角控制系统的Simulink仿真框图。值得注意的是，图中的PID模块并非MATLAB提供的原始模块，我们已经把该原始模块所封装的子系统作了一些变动:当采用常规PID控制策略进行仿真时，图中PID模块所封装的子系统即为经典的PID模块，为了使仿真更接近工程实际，我们以一个超前网络模块s/(O.ls+l)来代替原有的纯微分模块;当采用智能PID控制策略进行仿真时，该PID所封装的子系统即为一个MATLABFunction模块，具体的智能PID控制算法由我们所编写的M文件来实现。针对无人机在不同空域中的基准状态点，我们分别编写了智能PID控制算法的M文件，限于篇幅，这些源程序就不在本文中给出了。-10s+10X=Ax+BuY=Cx+Du-10X=Ax+BuY=Cx+DuPIDPID 俯仰角-k-k4s4s+14s 俯仰角速率图4.7俯仰角控制原理结构图在整个俯仰角控制律仿真过程中，升降舵回路传递函数用惯性环节-10s+10表示，升降舵通道的洗出网络用高通滤波器4s4s+1表示，升降舵面限幅为±将前面所设计的基于常规PID的俯仰角控制系统(高高空E点)进行时域仿真，其阶跃响应曲线如图11所示。从图中可知，其超调量σ%=15%，调节时间ts下面，我们在高高空E基准状态点附近取一点F(H=17505m,V=0.801Ma)，将原先在A点所设计的常规PID控制器用于F点，以考察我们所设计控制器的鲁棒性。己知无人机F点处的纵向线性化参数如下所示:图4.8常规PID俯仰角阶跃响应（E点）图4.9常规PID俯仰角阶跃响应（F点）以上两图，我们可以看到，当常规PID作用于F点时，虽然超调量比在E点时要稍微小了一些，但调节过程却明显变慢。可见，常规PID虽然具有一定的鲁棒性，但是当对象模型发生一定变化的时候，其控制性能还是会受到较大程度的影响，并且难以兼顾系统的动态和稳态性能。因此，如果我们要想在F点也取得较好的控制性能的话，必须考虑在该点重新设计PID控制器，这样无疑会增加我们很多工作量。我们来看一下智能PID控制的效果。首先针对E点采用表中的控制规则设计了一个智能PID控制器并进行仿真，然后，再将所设计好的智能PID控制器用于F点，得到的俯仰角阶跃响应曲线分别下图所示。图4.10智能PID俯仰角阶跃响应（E点）图4.11智能PID俯仰角阶跃响应（F点）通过比较可知，常规PID有一定的鲁棒性，当当对象模型发生变化时，其控制性还是会受到较大程度的影响，并且很难兼顾稳态和动态性能。因此，智能PID的优越之处很明显，不但有力地抑制了超调，而且调节时间也缩短了。4.4高度保持控制律的研究与仿真高度控制属于飞机的重心控制，在飞机的编队飞行、执行轰炸任务、远距离巡航及进场着陆时的初始阶段等都要保持高度的稳定。无人机的高度保持与控制是不能仅靠其俯仰角的稳定与控制来完成的。当飞机受到纵向常值干扰力矩时，硬反馈式角稳定系统存在着俯仰角及航迹倾斜角静差，角稳定系统虽能保持飞行器在垂风气流作用下的俯仰角稳定，但几秒钟后飞行速度向量将偏离原方向，产生高度漂移。另外，在俯仰角稳定的动态过程中，如果航迹倾斜角变化量平均值不为零，也会引起飞行高度的改变。所以高度保持系统需要有测量相对于给定高度偏差的测量装置—高度差传感器，如气压高度表、无线电高度表和大气数据传感器等。将高度偏差信号输入俯仰角控制系统，控制飞机的姿态，改变飞机航迹倾斜角，控制飞机的升降，直至至高度差为零，使飞机回到预定高度。无人机俯仰内回路控制器无人机俯仰内回路控制器高度微分反馈高度微分反馈高度反馈 高度传感器信号高度反馈图4.12高度控制系统原理图无人机纵向模型舵机K2H无人机纵向模型舵机KK2ϑKK2ωKK2HSKS图4.13高度系统控制律对于高度控制回路而言，高度偏差信号和高度变化率的反馈，可以满足在一个飞行状态高度阶跃响应的要求，然而考虑到无人机在整个包线范围内不同的平衡状态变化，我们还需要加一个积分环节，以保证无人机的无静差飞行。这样，无人机高度控制系统的控制律就可以表示成:u=K2ϑ(∆ϑc-∆ϑ当采用常规PID控制时,K2这里，我们还要特别强调一点，在高度控制