原创《基于模糊控制的无人机机载测试系统温度控制器设计》
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摘 要：针对高空长航时无人机机载测试设备面临的恶劣环境测试条件,研究常规设备在超低温环境下的工作适应性,及时发现测试设备在超低温环境下工作存在的不足问题,采取模糊PID控制器,提高机载测试设备在超低温环境下工作的可靠性.解决工程实际问题,满足使用要求.
关键词：无人机机载测试；模糊PID控制器；低温环境
前言
高低温工作是环境试验研究无人机机载测试设备系统稳定性最重要的项目之一,在每次设备研制后、定性和使用前都要求通过该项试验.因此,设计的试验和评定方法要能检验到设备每个模块、芯片在高低温条件下的工作状态,这对设备性能与可靠性提升和设备质量保障十分重要.
本文所研究的无人机在高空持续低温航行过程中,温度传感器时刻保持机载测试设备温度的监测,当温度低于预先设定的温度门槛时,控制器自动控制加热器对它进行加热,温度超过预先设定的温度门槛时,控制器停止加热,保持其温度恒定.
一、温度控制对象的数学模型
在科研生产环境中,可以了解到温度的电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,此时常用二阶系统滞后环节描述,由机载测试系统的工作原理以及实际需求,可以将二阶系统将为一阶模型,最终简化为一阶惯性滞后环节来描述温度控制对象的数学模型.通用传递函数公式为
其中,k 是对象的静态增益；T 对象的时间常数；τ 是对象的纯滞后时间.
根据温度控制装置实际应用状态的工作特性可以得到温度控制对象的传递函数为
二、PID 温度控制器仿真
在matlab 环境下进行仿真研究,PID 参数设定为Kp等于1.18,Ki等于0.01,Kd等于78.998.仿真结果如图所示
在实际工作过程中,无人机机载测试温度控制系统是一个大惯性、纯滞后系统,PID 控制虽可以使系统达到稳定,但存在调节时间过长和超调量大的设计缺陷,系统控制效果很难满足应用需求,因此在需要设计更为合理的控制器以满足系统需求.
三、基于模糊控制的PID 温度控制器仿真模糊控制器的设计步骤如下：
（1） 模糊集的定义： c e 、e 、p u 的模糊集均为{NB, NM, NS, AZ, PS, PM, PB}；（2）论域的定义：
c e 、e 、p u 的论域均为[-9,9]；（3）隶属度函数：对于变量c e 、e 、p u ,采用三角形型的隶属度函数；（4）根据应用需求设计模糊控制规则.在线运行过程中,通过微机测控系统不断检测系统的输出响应值,并实时的计算出偏差和偏差变化率,然后将它们模糊化得到e 和c e ,通过查询模糊控制模块的矩阵即可得到 Kp、Ki、Kd 三个参数的调整量,完成对控制器参数的调整.
仿真结果如图所示
可见模糊 PID 控制器能够克服传统PID 控制器的缺点,改变后的系统调节时间更短、超调量更小,能使系统平稳运行.因此选用模糊PID 控制器的控制方案以实现机载测试系统的温度控制.
四、结束语
因机载测试设备在高空长航时无人机飞行时不能满足低温环境的指标要求,该研究在高空长航时无人机试飞测试领域中具有一定现实意义.所设计的模糊PID 控制器,与传统PID 控制器相比,在一定程度上提高了试飞效率,节省了试飞成本.
温度控制论文参考资料：
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