基于烟花算法的飞行器控制器设计及优化方法研究

摘要

飞行器的控制方法一直是研究热点。随着相关技术的不断发展，越来越复杂的飞行条件对控制方法也提出了更为严格的要求。本文以飞行器的横侧向通道为研究对象，分别为其设计两种形式的常规控制器，并以其不足之处为出发点，利用烟花算法对控制器进行优化设计。 本文以飞行器数学模型的状态空间描述为基础，分析了其横侧向通道的三种运动模态。随后采用通用的稳定判据分析了对象的开环和闭环稳定性，为后续的控制器设计奠定了理论基础。除此，为评价各种控制方法的控制性能，建立了包含时域指标和能量指标的评价体系。 在此基础上，本文首先介绍了常规的解耦控制器设计方法，并提出一种用于表征耦合程度的指标，并表现出良好的区分度。仿真结果显示，虽然解耦控制方法可以很好地控制姿态，但由于解耦之后设计的单通道控制器无法利用偏航通道和滚转通道之间的耦合特性，导致滚转通道消耗的能量较大，经济效益较低；除此，滚转舵偏转角度长时间处于饱和状态，因而无法有效应对飞行器可能遇到的不确定问题，可靠性不足；因此其能量指标得分较低。基于尽可能充分利用两通道耦合特性的考虑，本文提出了协调控制的方法。仿真结果表明，协调控制器可以大幅降低能量的消耗，同时提升了姿态控制性能；然而由于在控制器的设计过程中需手工配置极点，对经验的依赖程度较高，因此其控制性能无法得到有效保证。 由此，本文引入烟花算法，将经过矩阵变换的协调控制器参数作为烟花粒子的位置信息，并以飞行器控制系统的输出作为烟花算法的优化目标，进而对协调控制器的参数进行优化；进一步地，为了得到更好的控制性能，还额外增加了能量指标约束条件。仿真结果显示，相对于常规协调控制器的设计方式，利用烟花算法设计协调控制器不仅可以大幅缩减工作量，而且提升了姿态控制的性能，同时在很大程度上削减了所消耗的能量。为进一步与解耦控制方法对比，利用烟花算法为解耦后的飞行器模型设计了单通道PID控制器；仿真结果表明，烟花算法可大大加速PID控制器参数的整定过程。相比之下，基于烟花算法的协调控制方法表现出的控制性能明显优于解耦后的单通道控制方法，因此控制器的结构设计也非常关键。

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