艦載機(jī)縱向著艦?zāi)：齈ID引導(dǎo)系統(tǒng)研究

引言：為保證航母艦載機(jī)著艦過程中，本文設(shè)計建立了艦載機(jī)縱向著艦?zāi)：齈ID引導(dǎo)控制系統(tǒng)。首先在對艦載機(jī)自動著艦控制系統(tǒng)特點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計艦載機(jī)著艦引導(dǎo)PID控制系統(tǒng)，根據(jù)模糊控制理論，對常規(guī)PID控制器進(jìn)行在線調(diào)整參數(shù)的能力，對縱向?qū)б刂坡蛇M(jìn)行了改進(jìn)，引入模糊控制理論，與常規(guī)的PID控制器相結(jié)合，組成模糊PID控制器。通過仿真，結(jié)合著艦試驗，說明了模糊PID比常規(guī)PID更能有效地改善著艦控制系統(tǒng)的品質(zhì)，減小著艦誤差，為艦載機(jī)著艦安全性的提高提供了幫助。

艦載機(jī)縱向著艦控制是一個復(fù)雜的控制問題，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，其核心一直是圍繞著如何使艦載機(jī)沿著精確的下滑軌跡安全著艦，但是自動著艦控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)變化不大，最近幾年來研究的成果主要集中在控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、甲板運動預(yù)估、如何提高著艦控制精度、降低噪聲誤差等等，模糊控制方法由于其算法簡單、實時性好、魯棒性強(qiáng)，特別適合于比較復(fù)雜的的控制系統(tǒng)。

本文利用模糊PID控制理論對艦載機(jī)縱向著艦導(dǎo)引律進(jìn)行改進(jìn)，憑借模糊控制器的在線調(diào)整參數(shù)的能力，使艦載機(jī)較好地跟蹤理想下滑軌跡進(jìn)行著艦。

一、艦載機(jī)航跡控制系統(tǒng)建模

飛行控制系統(tǒng)和推力控制系統(tǒng)的輸入命令是由航空母艦上安裝的縱向?qū)б刂浦噶钣嬎銠C(jī)發(fā)出的，該計算機(jī)根據(jù)雷達(dá)測量的信號以及相關(guān)的傳感器信號，由縱向?qū)б刂骗h(huán)節(jié)產(chǎn)生艦載機(jī)的著艦下滑軌跡指示信號，經(jīng)過無線電數(shù)據(jù)鏈裝置，發(fā)送到艦載機(jī)的飛行控制系統(tǒng)和推力控制系統(tǒng)中，使艦載機(jī)精確地按照預(yù)定軌跡下滑著艦。

在實際的艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)中，縱向?qū)б刂品匠讨械腜ID控制器的傳遞函數(shù)為：

關(guān)于這三個系數(shù)的整定有很多方法，包括Ziegler-Nichols設(shè)定方法、改進(jìn)后的Ziegler-Nichols設(shè)定方法、幅值相位裕度設(shè)定方法和最優(yōu)整定法，在本文中主要采取基本的Ziegler-Nichols設(shè)定的方法，該方法是根據(jù)受控對象的階躍響應(yīng)或者是頻率響應(yīng)來確定控制器的三個系數(shù)，Ziegler-Nichols時域整定法首先假設(shè)受控對象的特性接近于帶有時間延遲的一階環(huán)節(jié)，然后求出受控對象階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)這個曲線來得到相應(yīng)的PID控制器的三個參數(shù)。

就艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)來說，是用飛行控制系統(tǒng)和推力控制系統(tǒng)相耦合的控制系統(tǒng)作為被控對象，把它的擾動高度h作為反饋控制量，與高度輸入指令H相比較，生成控制信號，在飛行過程中實時調(diào)整艦載機(jī)的姿態(tài)，使其跟蹤理想下滑軌跡的變化，以便減小下滑著艦時的誤差，如圖1所示。

二、艦載機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計

常規(guī)的PID控制器是在過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種基本控制器，具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點，尤其適用于被控對象參數(shù)固定、非線性不嚴(yán)重的系統(tǒng)，但是在實際的控制過程中由于被控對象的負(fù)荷多變、干擾因素復(fù)雜，要想獲得滿意的控制效果，就需要對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，模糊控制器能充分利用操作人員進(jìn)行實時非線性調(diào)節(jié)的成功經(jīng)驗，充分發(fā)揮PID控制器的優(yōu)良控制作用，使整個控制系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

設(shè)PID控制器的輸出量為 ，輸入量為 ，他們之間的關(guān)系是：

為獲得滿意的控制效果，就要根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對 、 、 三個參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，結(jié)合工程技術(shù)人員的分析和實際操作的經(jīng)驗，并加上偏差變化率 的影響，可以制定調(diào)節(jié)修正PID控制器的三個參數(shù)的模糊規(guī)則，如：

模糊PID控制器的工作原理是：把輸入PID調(diào)節(jié)器的偏差 和偏差變化率 同時輸入到模糊控制器中，模糊控制器分別對三個參數(shù) 、 、 進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量 、 、 分別輸入到PID調(diào)節(jié)器中，對三個系數(shù)進(jìn)行實時在線修正。

結(jié)合艦載機(jī)航跡控制系統(tǒng)和模糊PID控制器，設(shè)計艦載機(jī)模糊PID控制器，如圖2所示。

由圖2可知，模糊控制器輸入為理想著艦點的高度與艦載機(jī)擾動高度間的偏差e和它的偏差變化率ec，輸出為PID參數(shù)的修正量 、 、 。

三、艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)仿真分析

仿真初始條件：某型艦載機(jī)距艦距離926m（1/2nm）；無對中偏差；速度69.96m/s（無速度偏差）；配平迎角8.1°；下滑高度76.6366m，具有高于理想下滑位置20m的初始偏差。在艦載機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)的作用下，其下滑航跡如圖3所示。

如圖3所示，由于艦載機(jī)初始存在現(xiàn)高于理想下滑航跡的偏差，控制系統(tǒng)將實際位置與理想下滑位置比較，差值通過引導(dǎo)律的計算，得到一個較小的俯仰角指令，通過縱向姿態(tài)系統(tǒng)，操縱升降舵，減小俯仰角，由受力分析可知此時升力降低，飛機(jī)豎直方向受力不再平衡，升力小于重力，合力向下，導(dǎo)致飛機(jī)位置降低，在維持迎角恒定的情況下，艦載機(jī)通過下俯操作使航跡角變化，最終位置趨向于標(biāo)準(zhǔn)航跡。

結(jié)論

本文利用模糊PID控制理論對艦載機(jī)縱向著艦導(dǎo)引律進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)艦載機(jī)著艦的導(dǎo)引控制系統(tǒng)的性能要求，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，引入了模糊控制理論，使兩者結(jié)合成模糊PID控制器。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的著艦導(dǎo)引律更能滿足著艦的要求，說明設(shè)計合理性。

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（作者單位：哈爾濱商業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院）