[发明专利]一种无人自主飞行器自适应PID控制方法

说明书

技术领域

本发明属于制导与控制技术领域，具体来讲，是指一种无人自主飞行器末制导段的基于时滞预估反推控制(BCTND)的自适应PID控制，其适用于无人自主飞行器制导与控制系统。

背景技术

无人自主飞行器是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的自主型无人驾驶飞行器，由于其具有“无人驾驶”、危险性低、续航能力好、使用方便、高效能、多用途等优点，成为目前军事领域、民用领域、商业领域的研究热点之一。随着其应用的日益广泛，对其性能的要求也越来越高，也给无人自主飞行器的制导与控制系统提出了更高的要求。

无人自主飞行器末制导段的PID控制是一种通过对无人自主飞行器速度矢量与目标瞄准线的角度误差信号进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算的控制算法，由于其结构简单、操作方便、稳定性好等特点而成为目前无人自主飞行器控制系统应用最为广范的一种控制算法。然而传统的PID控制较适用于确定的线性系统，难以满足实际复杂非线性无人自主飞行器控制系统的要求。此外，PID参数的整定这一任务只有经验丰富的工程技术人员才能胜任，不仅费时，而且一般达不到最佳参数。

目前，有许多种改进PID的理论方法，Ziegler–Nichols理论所建立的经验公式就像操作手册一样，方便工程师进行参数的设置和整定，很容易实现PID增益的动态调节，但该理论对于非线性系统存在着不可预测性。

模糊控制和最优控制也被应用于改进PID，该理论通过将现代控制理论引入经典控制以改善PID控制的固有缺陷，虽然不需要建立准确的数学模型，但在应用过程中需要大量复杂的数学运算，使得其在实际应用中难以实现。

为此，Chang和Jung提出了基于时滞控制(Time-delay Control，TDC)的PID控制方法，在不需要建立准确数学模型的情况下，实现常值PID增益在给定动态误差和采样时间的易选择性和可优化性，但当动力学系统由于不确定性而迅速改变时，该方法就不能满足所需的性能指标。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明将时滞控制(TDC)和反推控制(BC)相结合得到时滞预估反推控制(Backstepping Control with Time-delay Estimation and Nonlinear Damping，BCTND)算法，进而结合标准的PID控制算法，提出基于时滞预估反推控制(BCTND)的无人自主飞行器自适应PID控制方法。反推控制(Backstepping Control，BC)是针对不确定性系统的一种系统化的控制器综合方法，它从系统的最低阶次微分方程开始引入虚拟控制的概念，实现了系统的全局调节和跟踪。基于时滞预估反推(BCTND)控制的无人自主飞行器自适应PID控制方法，通过在标准PID控制算法的基础上引入时滞控制(TND)算法，在系统数学模型不精确的情况下，实现PID动态增益的易选择性和可优化性，并增强了系统的鲁棒性和有效性；引入针对不确定系统的反推控制(BC)算法，克服了标准PID对实际复杂非线性系统适应性差的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：建立无人自主飞行器六自由度运动模型，采用时滞预估(TDE)和反推控制(BC)相结合得到BCTND控制算法，然后将BCTND控制算法与PID控制算法结合得到本发明提出的基于BCTND的无人自主飞行器自适应PID控制方法，最后利用该方法在所建立的无人自主飞行器六自由度模型的基础上对无人自主飞行器进行飞行轨迹的仿真。具体的实施步骤如下：

步骤1、建立无人自主飞行器的六自由度运动模型；

步骤2、建立目标机动模型，将地面目标分成匀速直线运动和匀速圆周运动两种情况的二维平面运动，给定目标初始位置x₁、y₁，利用目标机动模型得到目标瞬时位置x_t、y_t；

步骤3、设计无人自主飞行器飞行轨迹仿真算法，具体包括：

3.1标准PID控制算法在离散域的控制形式：