CN105892475A - 基于模糊pid的水下滑翔机姿态控制算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。该算法包括:(1)模糊PID控制器原理性设计;(2)模糊PID控制器Matlab中的设计;(3)编写模糊PID控制器控制程序;(4)模糊PID控制器结构框图的搭建;(5)搭建控制系统,运行模糊PID控制器控制程序,实现算法控制。本发明能够解决姿态角大迟滞和大惯性控制问题、姿态角实时控制参数整定问题、姿态角强耦合控制问题。具有研发周期短,测试周期短,成本低,控制效果优良,缩短姿态角调节时间,降低稳态误差的优点。长远来讲,优良的姿态角控制可以降低电池功耗,增强滑翔机续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。
背景技术
当今社会,对于海洋全面认知的需求,实现真正了解海洋、服务人类的目的,海洋探索的步伐不断从近海走向远洋,从浅海走向深海,从定点走向空间,不断深入。用于海洋监测、考察和开发的主要工具也从海洋科考船只逐渐转向水下机器人,在海洋工程界通常称为潜水器。海洋探测工具按照历史进程取得了长足发展,其中水下机器人按是否载人分为载人、载人无人两用和无人三种类型。可载人型机器人相对机动灵活,便于处理复杂问题,但需要有复杂的生命保障系统,而且体积庞大,价格昂贵;对于航程长、范围广的考察任务则常选用无人潜水器,也可是无人水下机器人。水下滑翔机作为无人潜水器的一种,航行速度不如螺旋桨推进的水下自主航行器,但它由自身净浮力提供驱动力,具有能耗小、噪音低、续航能力长、制造成本低、可重复利用、投放回收方便等优势,适于大范围长期的海洋立体监测,能够长时间不间断地进行海洋信息的搜集,海洋探测和科研的范围从时间和空间上得到了拓展。
水下滑翔机的姿态控制是滑翔机领域内的一个重要研究课题,因为滑翔机所需航行能量来源于其搭载电池组,而电池电量的消耗很大程度上来源于航行姿态,如若有一个很完备的航行姿态控制技术,便可优化航行轨迹,提高航行里程,减少航行电池电量的消耗,从而使得滑翔机有效工作时间更长。
现有技术不能对滑翔机的姿态角进行实时控制,并且控制效果并不能很好的满足控制指标。另外,现有技术需要获得较为精确的姿态角传递函数,需要通过大量的试验,分析试验数据得出,成本高,效率低,耗时长。而本项发明的主要目的,是为解决现有技术的缺点来提出。另一方面,本项目的研究成果将有助于推动水下滑翔机控制技术向前发展,有助于推动水下机器人技术在我国的应用和推广,打破国外技术封锁和垄断,推动国产海洋仪器的产品化进程,为提升我国海洋开发和应用的技术水平和能力发挥了重要推动作用,为蓝色经济的发展做出贡献。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是,基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法,包括以下步骤:
(1)模糊PID控制器原理性设计
设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置;根据要求设计出死区、饱和区和采样周期;根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到:模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础,考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联,根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数,选择输入变量为误差e和误差变化率ec,相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值;再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd,相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值,并且可对应求出误差因子、误差变化率因子和输出比例因子;然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表,其中Δ表示取微分;
(2)模糊PID控制器Matlab中的设计
基于以上模糊规则表的建立,然后在MATLAB中进行控制器设计,对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置;
该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构,控制器输入为误差和误差变化率,输出为比例、积分和微分增益;
根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数,通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数;于是,误差e范围和误差变化率ec范围便可相应设置;同时设定比例增益Δkp范围,微分增益Δkd和积分增益Δki范围;
设置完隶属度函数后,按照上述三个模糊规则表进行模糊规则的配置;
按照上述步骤依次设置模糊PID控制器,最后保存控制器设计文件,以便在仿真时调用;
(3)编写模糊PID控制器控制程序
在完成matlab中控制器设计之后,根据要求编写模糊PID控制器控制程序;
(4)搭建控制系统,运行模糊PID控制器控制程序,实现算法控制
完成模糊PID控制器控制程序编写后,通过MAILAB/simulink搭建控制系统框图,对姿态角进行控制仿真,并运行模糊PID控制器控制程序,得出仿真结果。
作为优选,在步骤(3)中,所述模糊PID控制器控制程序包括以下步骤:
(1)系统开启,读取设定的FIS模糊控制系统文件;
(2)构造姿态角系统传递函数,并离散化;
(3)设置控制系统参数初值、采样周期及控制时间;
(4)传入设定姿态角度;
(5)进行模糊推理计算,得出新参数;
(6)得到PID输出结果与系统姿态角控制结果;
(7)计算误差与误差变化率;
(8)修改PID比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd;
(9)跳转至第(5)步,进行循环控制;
(10)在得到期望控制效果或达到设定控制时间后,系统暂停,等待接收下一条控制指令。
作为优选,NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表了相应语言变量值的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共七个模糊值。
本发明的有益效果是:
1.能够解决姿态角大迟滞和大惯性控制问题。
2.能够解决姿态角实时控制参数整定问题。
3.能够解决姿态角强耦合控制问题。
4.研发周期短,测试周期短,成本低。
5.控制效果优良,缩短姿态角调节时间,降低稳态误差。
6.长远来讲,优良的姿态角控制可以降低电池功耗,增强滑翔机续航能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的模糊PID的控制系统框图。
图2是本发明实施例的模糊控制器配置结果图。
图3是本发明实施例的模糊PID控制器各参量的隶属度函数配置图。
图4是本发明实施例的按照三个模糊规则表进行模糊规则的配置图。
图5是本发明实施例的控制系统仿真结构图。
图6是本发明实施例的模糊PID控制仿真结果。
具体实施方式
1、模糊PID控制框图设计:
图1描绘了模糊PID的控制系统框图,系统输入为滑翔机设定姿态角,输出为滑翔机当前姿态角,并反馈回输入端,与设定值做差,得到误差,经过微分处理得到误差变化率。以误差和误差变化率作为模糊PID控制器的输入,控制器的输出作用到水下滑翔机本体,在控制框图中为姿态角传递函数。其中,模糊推理实时整定比例、积分和微分增益。
2、模糊PID控制器设计:
设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置。根据要求设计出0.05的死区和0.1的饱和区,采样周期为0.01秒。根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到:模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础,考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联,根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数,选择输入变量为误差e和误差变化率ec,相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值,其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表语言变量值的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共七个模糊值。再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd,相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值,并且可对应求出误差因子为3,误差变化率因子为1,输出比例因子为0.4。然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表(表1、2、3):
表1:比例增益Δkp的模糊规则表
表2:积分增益Δki的模糊规则表
表3:微分增益Δkd的模糊规则表
基于以上模糊规则表的建立,然后在MATLAB中进行控制器设计,对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置。
该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构,控制器输入为误差和误差变化率,输出为比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd。图2为模糊控制器配置结果。
根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数,通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数为:kp=0.75,kd=28,ki=0.25;于是,误差e范围设置为[-6,6],误差变化率ec范围设置为[-3,3],比例增益Δkp范围设置为[-3,3],微分增益Δkd范围设置为[-3,3],积分增益Δki范围设置为[-3,3],图3为模糊PID控制器各参量的隶属度函数配置。
设置完隶属度函数后,按照上述三个比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd模糊规则表进行模糊规则的配置(图4)。
按照上述步骤依次设置模糊PID控制器,最后保存控制器设计文件,以便在仿真时调用。完成模糊PID控制器的配置后,通过MAILAB/simulink搭建控制系统框图,对姿态角进行控制仿真。图5是控制系统仿真结构图。
3、编写模糊PID控制程序,程序设计流程如下:
(1)系统开启,读取设定的FIS模糊控制系统文件;
(2)构造姿态角系统传递函数,并离散化;
(3)设置控制系统参数初值、采样周期及控制时间;
(4)传入设定姿态角度;
(5)进行模糊推理计算,得出新参数;
(6)得到PID输出结果与系统姿态角控制结果;
(7)计算误差与误差变化率;
(8)修改PID比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd;
(9)跳转至第(5)步,进行循环控制;
(10)在得到期望控制效果或达到设定控制时间后,系统暂停,等待接收下一条控制指令。
4、模糊PID控制算法控制结果:
水下滑翔机目标姿态角度为30°,即给定阶跃输入设置为30°。开启滑翔机姿态调节,可以得到如图6中的控制效果。
由控制结果可以看出,模糊PID控制器对于姿态角度的控制获得了良好的控制效果,比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd随着时间的变化而变化,达到了实时控制的目的。
以上所述的本发明实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法,包括以下步骤:
(1)模糊PID控制器原理性设计
设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置;根据要求设计出死区、饱和区和采样周期;根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到:模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础,考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联,根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数,选择输入变量为误差e和误差变化率ec,相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值;再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd,相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值,并且可对应求出误差因子、误差变化率因子和输出比例因子;然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表,其中Δ表示取微分;
(2)模糊PID控制器Matlab中的设计
基于以上模糊规则表的建立,然后在MATLAB中进行控制器设计,对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置;
该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构,控制器输入为误差和误差变化率,输出为比例、积分和微分增益;
根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数,通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数;于是,误差e范围和误差变化率ec范围便可相应设置;同时设定比例增益Δkp范围,微分增益Δkd和积分增益Δki范围;
设置完隶属度函数后,按照上述三个模糊规则表进行模糊规则的配置;
按照上述步骤依次设置模糊PID控制器,最后保存控制器设计文件,以便在仿真时调用;
(3)编写模糊PID控制器控制程序
在完成matlab中控制器设计之后,根据要求编写模糊PID控制器控制程序;
(4)搭建控制系统,运行模糊PID控制器控制程序,实现算法控制
完成模糊PID控制器控制程序编写后,通过MAILAB/simulink搭建控制系统框图,对姿态角进行控制仿真,并运行模糊PID控制器控制程序,得出仿真结果。
2.如权利要求1所述的水下滑翔机姿态控制算法,其特征在于,在步骤(3)中,所述模糊PID控制器控制程序包括以下步骤:
(1)系统开启,读取设定的FIS模糊控制系统文件;
(2)构造姿态角系统传递函数,并离散化;
(3)设置控制系统参数初值、采样周期及控制时间;
(4)传入设定姿态角度;
(5)进行模糊推理计算,得出新参数;
(6)得到PID输出结果与系统姿态角控制结果;
(7)计算误差与误差变化率;
(8)修改PID比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd;
(9)跳转至第(5)步,进行循环控制;
(10)在得到期望控制效果或达到设定控制时间后,系统暂停,等待接收下一条控制指令。
3.如权利要求1所述的水下滑翔机姿态控制算法,其特征在于,所述NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表了相应语言变量值的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共七个模糊值。
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