模糊PID在無人機飛行控制中的應用研究

生仁智

摘 要：無人機是一種高機動、低造價和體積小的無人機型，其現已被廣泛應用于監測、勘探、偵查和航拍等領域。由于傳統的無人機控制系統主要采用模糊控制器或PID控制器，因此控制效果不佳。據此，本文介紹一種模糊自適應PID控制器，具體討論其在無人機飛行控制中的應用，以供同行借鑒。

關鍵詞：無人機；模糊自適應PID；控制系統

1 PID控制器參數的整定

PID控制器控制的方程式為：

式中，——比例系數；——積分系數；——微分系數；——系統輸出；——誤差；——誤差變化率。

通常情況下，、、應按控制系統的客觀實際而定，以確保系統的控制效果更佳，即提高控制系統的穩定性和響應特性。

1.1 模糊自整定法

模糊自整定法是一種基于人工反復試驗和專家經驗的參數整定方法，即通過制定控制規則，讓控制器的控制參數在系統狀態變化的條件下不斷優化，進而使得系統以最快的速度進入穩定狀態。模糊自整定法具有魯棒性和智能化的特征，因此常被應用于復雜的控制環境中。

1.2 臨界比例度法

臨界比例度法的實現步驟為：在PID控制器中設比例狀態→從大到小對比例度進行試驗→選定發生等幅振蕩時的臨界比例度數值→確定臨界振蕩周期。通常情況下，PID控制器的比例度取1.7δk；微分時間取0.125Tk；積分時間取0.5Tk。

2 模糊自適應PID控制器的設計

模糊自適應PID控制器主要由模糊控制器和PID控制器組成。模糊控制器采取兩輸入+三輸出的結構，其中輸出量包括PID控制器的比例系數、積分系數、微分系數；輸入量包括高度誤差、誤差變化率。據此，模糊自適應PID控制器的工作原理如下：根據模糊規則，采用模糊邏輯算法來優化PID控制器的、、，進而獲得更佳的控制效果。

如圖1所示，模糊控制器利用高度傳感器測得無人機實際的高度，并通過與控制系統的給定高度進行比較，得出高度誤差；然后通過間歇采樣獲得無人機飛行高度誤差變化率；最后再根據控制規則，獲得模糊控制器的輸出值、、，并將之傳給PID控制器，進而實現對無人機穩定性和飛行性能的有效控制。

2.1 模糊控制模型的建立

模糊控制模型要求模糊控制器輸入量選取無人機高度、高度誤差、高度誤差變化率，輸出量選取、、，具體在Matlab/fuzzy環境下建立模糊控制模型。假設PID控制器兩輸入三輸出的論域、模糊子集分別為[-1，1]，；輸入/出變量的隸屬度函數為三角函數隸屬函數曲線。在輸入量、和輸出量、、的模糊論域中，各個元素所表示的內容間表1。

2.2 模糊控制規則的建立

模糊控制規則的建立是指根據不同的、，按以下規律選取與之相對應的、、值：1.當值比較大時，選取的較大值、的較小值，以使控制系統的響應時間更短；2.當值中等時，選取的較小值、、的適當值，以使控制系統的超調性能更低；3.當值較小時，選取、的較大值、的適當值，以使控制系統在設定值前后保持在穩定狀態，進而提高系統的整體穩定性。根據上述規律，大致可以建立R1：IF、R2：IF、…、R49：IF共49條模糊控制規則，比如 。

3 模糊自適應PID控制系統的仿真

模糊自適應PID控制系統仿真時，假設無人機的初始高度、飛行高度和仿真時間分別為0m、12m、120s，則根據上述研究內容可得，如圖2所示的模糊自適應PID控制系統的響應曲線。

根據圖2可知，模糊控制系統的響應時間較短，可使系統運行參數快速升至設定值，但系統卻很難在設定值附近保持穩定；PID控制系統具有較高的穩定性，但其響應時間卻較長。

4 結語

模糊自適應PID控制系統綜合了模糊控制和PID控制系統的優點，因此在無人機控制中的效果非常好，具體表現在對飛行高度、速度和狀態的有效控制，即具有響應時間短、超調量小、拍攝精度高的優點，適用于在復雜環境下對對象進行控制。

參考文獻

[1]肖亞輝，王新民，王曉燕，等.無人機三維編隊飛行模糊PID控制器設計[J].西北工業大學學報，2011，29（6）：834-838.

[2]劉浩蓬，龍長江，萬鵬，等.植保四軸飛行器的模糊PID控制[J].農業工程學報，2015，（1）：71-77.

（作者單位：江蘇省海安高級中學）