【四旋翼无人机的PID控制及仿真分析案例4100字】

四旋翼无人机的PID控制及仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18434四旋翼无人机的PID控制及仿真分析案例 1290231.1四旋翼无人机PID控制器的设计 1317051.1.1单级PID控制器 1323581.1.2串级PID控制器 3122221.1.3模糊串级PID控制器 3214831.2四旋翼无人机仿真实验 8218201.2.1四旋翼无人机控制系统Simulink仿真 911391.2.2仿真分析 10100481.2.3抗干扰性能分析 15四旋翼无人机PID控制器的设计本节通过分别建立单级PID、串级PID和模糊串级PID三种控制器来对四旋翼无人机的姿态角进行控制。单级PID控制器本小节将建立单级PID控制器来对四旋翼无人机进行控制研究，PID控制器适用面广，且具有较好的稳定性和可靠性，非常适合用于电力巡检无人机。应用于电力巡检工作中的四旋翼无人机在执行巡检任务时，常需要面对不同的工作环境，需要使用不同的飞行姿态来完成巡检工作。可以通过遥控器对飞行控制系统输入期望姿态角度，控制器将当前姿态角与接收到的期望姿态角做对比得到误差，利用误差来完成对飞行姿态的控制，完成人们所需的飞行。在PID控制中，横滚角、俯仰角以及偏航角是相互独立的。四旋翼无人机传统PID控制器结构如图3-1所示。图3-1传统PID控制结构图PID控制其实是一种偏差控制。四旋翼无人机是被控对象，它与PID控制器和期望角度共同组成控制系统。系统还有前项和反馈两个通道，反馈通道的输入是被控对象的输出角度，而与期望角度的给定值的差就是控制系统的偏差，如式（3-1）所示。（3-1）偏差值通过、和作用后可得结果，而同时也是被控对象的输入值。（3-2）将式（3-2）进行拉氏变换可得：（3-3）PID控制的主要内容是PID参数的整定和调节，增大会使系统反应加快，但同时容易会让系统的超调量变大，还会使无人机控制系统发生振荡，变得不稳定。改变可以调节系统的超调现象，并且在减小振荡的同时还能增强系统的可靠性，但是会延长系统消除静态误差的时间。增大会让系统响应速度得到增快，提高系统的稳定性的同时还能消除振荡现象，但若是增加太多，也会让系统反应变慢和动态性能降低。因此，PID参数的调整需要、和三部分相互作用才能让系统变得稳定。串级PID控制器单级PID控制器只是对四旋翼无人机的角度进行控制，对于拥有6个自由度的四旋翼无人机来说，控制效果并不理想。若是想要四旋翼无人机控制系统变得更加稳定，提高控制效果，那么可以通过在控制角度的基础上继续控制四旋翼无人机的角速度来完成目的。串级PID控制是将两个单级PID控制器串联在一起使用，形成外环PID控制器和内环PID控制器两个回路，这样就能控制两个不同对象。在整个串级PID的控制过程中，外环控制器起到的作用更重要，所以它是主回路，内环控制器是副回路。串级PID控制结构如图3-2所示。图3-2串级PID控制器结构串级PID属于PID控制，只是结构相对单级PID而言要更加复杂，不过控制核心并没有变，依旧是利用偏差来消除偏差。因此，串级PID控制依旧满足式（3-1）、式（3-2）和式（3-3）。串级PID参数调节相比于单级PID要更加复杂，需要内外环的比例、积分、微分参数相互作用才能调节系统稳定。模糊串级PID控制器串级PID控制可以满足对无人机系统的控制要求，但由于串级PID有内外两个控制环，所以调节参数比较困难，并且在确定好控制参数后，进行控制时参数并不会跟随系统改变，因此无法及时调节外界干扰。而模糊控制相比PID控制有着自适应的优点，但单独的模糊控制不能使系统的控制保持稳定，还不能调节静态误差。若是将模糊控制与串级PID控制结合在一起使用，同时发挥出模糊控制和串级PID控制的优势，这样不但能对控制系统参数进行实时调节，还增强系统的稳定性和抗干扰能力。在串级PID控制中，外环PID控制是主回路，所以本次设计只将外环PID与模糊控制相结合，模糊串级PID控制框图如图3-3所示。图3-3模糊串级PID控制框图从图3-3构建的串级模糊控制框图可以看出模糊控制器是将和作为偏差来输入控制器，接着通过模糊控制器建立好的模糊控制规则来对、和三个参数进行实时调节，因而增强了系统的动态响应能力。图3-4表示的是图3-3中模糊控制器的内部结构图图3-4模糊控制器内部结构图模糊控制器主要由模糊化、规则库、模糊推理以及解模糊四部分组成，本文将通过MATLAB软件来进行模糊控制器的设计。（1）模糊化模糊化是将输入量转变成模糊量，这样模糊控制器才能才能对其进行识别，还要明确好输入和输出量的模糊论域和隶属度函数。本文研究的是四旋翼无人机控制，而具体的控制目标是无人机的姿态角，因此本次所设计的模糊串级PID控制有角度和角速度两个控制输入量，分别用和两个偏差来表示。输出量则是PID的三个参数变化量、、。打开MATLAB软件，建立一个新脚本，然后在命令行输入fuzzy就能得到模糊控制编辑界面，如图3-5所示。3-5模糊控制编辑界面本次设计的模糊串级PID控制只是将外环PID控制与模糊控制结合，因此在仿真过程中需要确定外环角度的角度和角速度两个偏差输入量和三个输出量的模糊论域，即、、、、。给出和模糊论域设置如图3-6和3-7所示。图3-6E的模糊论域设置图图3-7△Kp的模糊论域设置图（2）模糊规则库的建立规则库对模糊控制器来说非常重要，它是通过人类专家的理论知识和研究人员的宝贵实验经验共同建立起来的模糊规则知识库。表3-1模糊规则控制表表3-2模糊规则控制表表3-3模糊规则控制表000为了让模糊规则变得更准确和模糊描述更细致，确定了7个模糊子集。正大、正中、正小、零、负小、负中、负大是模糊子集的从大到小排序，分别用、、、、、、来表示。表3-1、3-2和3-3给出了四旋翼无人机三个输出参数、、模糊规则控制表。（3）模糊推理。模糊推理就是模糊规则“if...then...”，由输入、和输出、、模糊控制规则表可以组合得到49条模糊规则。将模糊规则与模糊子集隶属度函数做模糊推理得到新的隶属度函数。MATLAB软件规则编写如图3-8所示。图3-8模糊规则编写图（4）解模糊集模糊推理得到的模糊隶属度函数是模糊量，需要对其去模糊化，这样才能得到一个能用的输出控制量。通过对外环PID参数进行模糊推理可得PID控制参数、、的变化量、、，对外环PID实时自整定后可得到修正的控制输入参数、和，整定公式如式（3-4）所示。（3-4）经过以上几个步骤，完成了模糊控制器的设计工作，将模糊控制器融合进串级PID控制结构中，对外环进行参数整定，可以让四旋翼无人机控制系统变得更好。四旋翼无人机仿真实验四旋翼无人机控制系统的可行性仿真是检验它能否正常进行飞行任务的方法之一，所以需要使用Simulink搭建四旋翼无人机仿真模型。根据上文推导出的四旋翼非线性动力学模型与线性动力学模型计算出各通道的传递函数，与PID控制器、串级PID控制器和模糊串级PID控制构成四旋翼仿真模型。对三种控制方式下的四旋翼无人机的横滚角、俯仰角、偏航角的稳定性和抗干扰能力进行仿真，并对数据进行分析与比较。四旋翼无人机控制系统Simulink仿真从MATLAB软件的Simulink中寻找相应模块搭建仿真模型，由于横滚角和俯仰角计算得到的传递函数相同，因此，两者搭建同一仿真模型进行分析。图3-9是俯仰角及横滚角的单级PID控制仿真结构图，图3-10是偏航角的单级PID控制仿真结构图；图3-11是俯仰角及横滚角的串级PID控制仿真结构图，图3-12是偏航角的串级PID控制仿真图；图3-13表示的是PID控制器的内部结构图，图3-14俯仰角及横滚角的模糊串级PID控制仿真结构图，图3-15是偏航角的模糊串级PID控制仿真图，图3-16表示的是结合模糊控制后的PID内部结构图。图3-9俯仰角及横滚角的单级PID控制仿真结构图图3-10偏航角的单级PID控制仿真结构图图3-11俯仰角及横滚角的串级PID控制仿真结构图图3-12偏航角的串级PID控制仿真结构图图3-13PID控制器内部结构图图3-14横滚角及俯仰角的模糊串级PID控制仿真结构图图3-15偏航角的模糊串级PID控制仿真结构图图3-16模糊控制Fuzzy内部结构图仿真分析对控制系统输入一个0~1的阶跃信号来检验其控制效果，仿真时间设置为5s，运行仿真模型可得图3-17、3-18、3-19的横滚角及俯仰角在单级PID、串级PID和模糊串级PID控制下的仿真结果图；同时也得到了图3-21、3-22、3-23的偏航角在单级PID、串级PID和模糊串级PID控制下的仿真结果图。图3-20是将横滚角及俯仰角的单级PID、串级PID和模糊串级PID仿真结果图进行了对比分析；图3-24是将偏航角的单级PID、串级PID和模糊串级PID仿真结果图进行了对比分析。图3-17俯仰角及横滚角的单级PID控制仿真效果图图3-18横滚角及俯仰角的串级PID控制仿真效果图图3-19横滚角及俯仰角的模糊串级PID控制仿真效果图图3-20横滚角及俯仰角在三种PID控制器下的仿真效果对比图经计算，横滚角和俯仰角在单级PID控制下的超调量为9.8%，调节时间为1.035s，上升时间为0.0901s，峰值时间为0.1898s；在串级PID控制下的超调量为5.8%，调节时间为0.5002s，上升时间为0.0336s，峰值时间为0.0637s；在模糊串级PID控制下的超调量仅为2.7%，调节时间为0.3751，上升时间为0.0223s，峰值时间为0.0402s。经过动态性能对比分析，可以看出模糊串级PID的控制效果最好，而单级PID的控制效果最差。由于三种控制的超调量都没有超过10%，且系统都能稳定，并且稳定时间都在1.1s内，都满足对四旋翼无人机横滚角和俯仰角的控制要求。图3-21偏航角的单级PID控制仿真效果图图3-22偏航角的串级PID控制仿真效果图图3-23偏航角的模糊串级PID控制仿真效果图经计算，偏航角在单级PID控制下的超调量为12.3%，调节时间为1.165s，上升时间为0.1759s，峰值时间为0.3944s；在串级PID控制下的超调量为6.4%，调节时间为0.5003s，上升时间为0.0321s，峰值时间为0.0729s；在模糊串级PID控制下的超调量仅为2.6%，调节时间为0.4294，上升时间为0.0223s，峰值时间为0.0351s。经过动态性能对比分析，可以看出模糊串级PID的控制效果最好，而单级PID的控制效果最差。由于三种控制的超调量都没有超过13%，且系统都能稳定，并且稳定时间在1.1s内，都满足对四旋翼无人机横滚角和俯仰角的控制要求。图3-24偏航角在三种PID控制下的仿真效果对比图抗干扰性能分析在电力巡检中，四旋翼无人机常常受到外界信号干扰，因此需要验证四旋翼无人机姿态控制在有干扰信号干扰时的控制效果。所以为了研究系统的抗干扰能力，在t=3s时对系统各通道加入初始值为0，结束值为0.5的干扰信号。仿真模型如图3-9到3-16所示，运行仿真模型可得干扰下的俯仰角及横滚角三种PID控制器仿真效果对比图如图3-25所示，干扰下偏航角三种PID控制器仿真效果对比图如图3-26所示。图3-25干扰下俯仰角及横滚角三种PID控制器仿真效果对比图图3-26干扰下偏航角三种PID控制器仿真效果对比图从图3-25中可以得出横滚角和俯仰角在加入