一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法技术

本发明专利技术提供了一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法，包括对导弹PID控制系统设计、导弹程序飞行弹道设计及特征点提取、导弹自适应迭代学习控制系统数学模型建立、导弹PID控制器参数自适应迭代学习控制系统设计、导弹PID控制器参数大循环自适应迭代学习控制系统稳定性分析以及全弹道仿真试验验证。本发明专利技术是先进控制理论与工程实践良好结合的实例，是自适应迭代学习控制技术在工程实践中的具体应用，易于实现，而且控制系统的设计经过了严格的理论推导，理论体系完整，能够实现导弹PID控制器参数的自适应迭代寻优，实现导弹对程序飞行弹道的完全跟踪，所提出的设计思想和理论体系能够应用到类似的控制器参数调节问题，具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法
本专利技术属于迭代学习控制技术、自适应控制技术和反演控制
，尤其涉及一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法。
技术介绍
迭代学习控制的概念与方法最早由日本学者Uchiyama于1978年提出，它特别适合那些具有重复运动性质的被控对象，这种控制方法不依赖于系统的精确数学模型，能够以非常简单的方式处理不确定性相当高的非线性强耦合动态系统。经过近三十年的发展，迭代学习控制已经广泛应用到很多领域，并与自适应控制、鲁棒控制、模糊控制和神经网络相结合，成为了一门既具备良好的工程可实现性又具备理论研究价值的学科。PID控制器是一种工程实用性强且应用非常广泛的控制器。传统的导弹PID控制器设计方法在进行参数调试时，首先要设计飞行弹道并选取具有代表性的弹道点作为特征点，随后在特征点处对导弹模型进行线性化和参数固化，并以各特征点对应的线性模型为对象，通过不断对控制器参数进行试凑，最终得到比较理想的控制器参数。最后再根据导弹所处气动环境在不同阶段采用不同的控制器参数，从而达到对导弹全方位控制的目的。这种设计方法存在两个方面的缺陷：第一，控制器的调试完全靠科研人员的工作经验，而且当特征点较多时，调试工作量会变得过大而难以承受；第二，控制器参数是根据导弹不同飞行阶段分别给出的，控制器在整个弹道上是不连续的。
技术实现思路
分析导弹PID控制器的设计过程不难发现，控制器参数的调试工作实际上具有迭代特性。它是一个不断重复的仿真—调整—再仿真—再调整过程，与常规迭代学习控制的不同之处在于它需要调试人员对指令跟踪情况进行判断，并根据经验对参数进行人工调节，而不是利用状态误差对控制器进行自动修正。考虑到上述特点，结合迭代学习控制思想，本专利技术提出一种实现导弹PID控制器参数自动调节的思路：借鉴迭代学习控制的思想，以整个全弹道导弹系统为迭代对象，将每次PID控制器参数调试过程看作迭代学习控制理论中系统的一次迭代运行，利用上一次迭代时系统的跟踪误差，按照一定的规律对下一次系统运行时的PID控制器参数进行调节，如此不断的循环运行整个导弹系统，形成一种大循环迭代学习机制，实现导弹PID控制器参数的自动寻优。此即本专利技术所提出的大循环迭代学习思想。这种思想在实践中具备较强的可操作性，但在研究中存在两个难点问题：第一，如何建立导弹PID控制器参数大循环迭代学习控制系统的数学模型；第二，采用何种方法设计PID控制器参数迭代学习律，所设计的PID控制器参数自适应迭代学习控制系统是否收敛，如何证明其稳定性。为攻克上述难题，本专利技术以导弹俯仰通道为例，建立其数学模型，充分利用迭代学习控制技术、自适应控制技术和反演控制技术设计PID控制器参数迭代学习律，并证明所设计迭代学习控制系统的收敛性。该思想一旦在工程上得到实现，能实现导弹PID控制器参数的自动整定，并将彻底改变传统的导弹PID控制器设计方法，大幅减小导弹PID控制器设计的工作量，缩短设计周期。在理论研究方面，导弹PID控制器参数迭代学习技术及其稳定性方面的研究将填补国内外相关领域的研究空白，具有重要的理论意义。基于大循环思想的导弹PID控制器参数自适应迭代学习控制方案包含两个方面的核心技术：(1)导弹PID控制器参数大循环迭代学习方案设计；(2)导弹PID控制器参数大循环迭代学习控制系统建模、自适应迭代学习律设计及稳定性分析。一、导弹PID控制器参数大循环迭代学习方案设计导弹PID控制器参数大循环迭代学习方案运行流程如图1所示。导弹PID控制器参数大循环迭代学习方案的具体实施可按以下几步进行：(1)根据导弹传感器的具体情况，设计导弹三通道PID控制器，从而确定导弹控制器形式，明确需要调节的控制器参数；(2)根据实际任务需求设计导弹程序飞行阶段弹道，并选取具有代表性的弹道点作为特征点，经简单调试得到各特征点处能够使系统稳定的PID控制器参数，并通过插值得到PID控制器参数在整个弹道上的初始值；(3)根据实际控制器需求，建立适用于迭代学习控制系统设计的数学模型；(4)利用迭代学习控制技术、自适应控制技术和反演控制技术设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统，得到迭代学习控制器和自适应迭代学习律的具体表达式；(5)利用基于Lyapunov-like函数的稳定性理论证明所设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统的稳定性；(6)以六自由度非线性导弹模型为仿真试验对象，以第二步得到的控制器参数为初始值，利用步骤S4得到的自适应迭代学习控制器和自适应迭代学习律对PID控制器参数进行迭代学习，直至获得满足控制要求的PID控制器参数。二、导弹PID控制器参数大循环迭代学习控制系统建模、自适应迭代学习律设计及稳定性分析在已有的研究文献中，鲜有PID控制器参数迭代寻优方面的研究工作，对于此类迭代学习控制系统的建模与稳定性分析方面的研究则为空白。针对这一研究现状，本专利技术建立了所提出的PID控制器参数大循环迭代学习方案的数学模型，并利用自适应迭代学习控制技术设计了相应的迭代学习律，得到了稳定性定理，保证了所设计方案在理论上的正确性。这里以俯仰通道为例，给出迭代学习控制系统设计技术及稳定性分析的简要情况。与所设计的导弹PID控制器参数大循环迭代学习方案相对应的控制系统结构如图2所示。在不考虑通道之间交联的前提下，导弹纵向通道的数学模型可表示为其中：α为导弹攻角；ωz为导弹俯仰角速度；θ为导弹速度倾角；m为导弹质量；V为导弹速度；P为导弹推力；为具有时变特性的导弹气动参数；Jz为导弹转动惯量；ny为导弹在速度坐标系内的纵向过载。为简化模型，本专利技术进行以下三个方面的简化：(1)考虑到gcosθ/V这一项一般情况下比较小，这里忽略该项；(2)考虑到俯仰舵对升力的贡献较小，忽略这一项；(3)考虑到这一项也比较小，这里也忽略该项。经简化后的方程可表示为：定义显然，ny是关于攻角α的非线性函数，若用h1(·)表示两者之间的非线性关系，则ny＝h1(α(t),t)(4)注1：对导弹而言，攻角α(t)的变化范围一般在[-5°,7°]之间，由(2)式中过载和攻角之间的关系可知，ny与α之间满足一种近似线性关系，利用现有文献中的方法设计滤波器，可以通过对过载指令nyc滤波得到攻角指令αc。另外，由(2)式可知函数h1(α(t),t)是连续可导的。则方程可进一步写为其中，f1(·):R×[0,T]→R、f2(·):R2×[0,T]→R、h(·):R2×[0,T]→R2为与模型(2)相对应的函数，这三个函数都是连续可导的时变非线性函数，g1(t)、g2(t)为控制参数，显然，在这里g1(t)＝1。至此得到了导弹纵向通道的数学模型，可见它具有严格反馈的数学形式，下面将以此模型为对象进行控制系统设计。注2：这里假设f1(·)、f2(·)和h(·)均为未知函数，g1(t)、g2(t)均为未知时变参数，并在此基础上进行自适应迭代学习律设计和稳定性分析，这样做的目的是为了证明本专利技术所提出的设计方案可以应用到与式(5)类似的非线性时变系统，具有良好的可推广性。由于考虑的是系统(5)的迭代学习控制问题，因此，这里的研究对象应该是在有限时间t∈[0,T]上可重复运行的系统，它可表示为其中，k为迭代次数标记。控制目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法，其特征在于包括以下步骤：S1、根据导弹传感器的具体情况，设计导弹三通道PID控制器，从而确定导弹控制器形式，明确需要调节的控制器参数；S2、根据实际任务需求设计导弹程序飞行阶段弹道，并选取具有代表性的弹道点作为特征点，经简单调试得到各特征点处能够使系统稳定的PID控制器参数，并通过插值得到PID控制器参数在整个弹道上的初始值；S3、根据实际控制器需求，建立适用于迭代学习控制系统设计的数学模型；S4、利用迭代学习控制技术、自适应控制技术和反演控制技术设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统，得到迭代学习控制器和自适应迭代学习律的具体表达式；S5、利用基于Lyapunov‑like函数的稳定性理论证明所设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统的稳定性；S6、以六自由度非线性导弹模型为仿真试验对象，以第二步得到的控制器参数为初始值，利用步骤S4得到的自适应迭代学习控制器和自适应迭代学习律对PID控制器参数进行迭代学习，直至获得满足控制要求的PID控制器参数。

【技术特征摘要】
1.一种导弹PID控制器参数自适应调节的方法，其特征在于包括以下步骤：S1、根据导弹传感器的具体情况，设计导弹三通道PID控制器，从而确定导弹控制器形式，明确需要调节的控制器参数；S2、根据实际任务需求设计导弹程序飞行阶段弹道，并选取具有代表性的弹道点作为特征点，经简单调试得到各特征点处能够使系统稳定的PID控制器参数，并通过插值得到PID控制器参数在整个弹道上的初始值；S3、根据实际控制器需求，建立适用于迭代学习控制系统设计的数学模型；S4、利用迭代学习控制技术、自适应控制技术和反演控制技术设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统，得到迭代学习控制器和自适应迭代学习律的具体表达式；S5、利用基于Lyapunov-like函数的稳定性理论证明所设计PID控制器参数自适应迭代学习控制系统的稳定性；S6、以六自由度非线性导弹模型为仿真试验对象，以第二步得到的控制器参数为初始值，利用步骤S4得到的自适应迭代学习控制器和自适应迭代学习律对PID控制器参数进行迭代学习，直至获得满足控制要求的PID控制器参数。2.如权利要求1所述的导弹PID控制器参数自适应调节的方法，其特征在于，所述步骤S1更具体为：俯仰通道采取攻角PID控制，选择kp1、kd1和ki1分别为俯仰通道PID控制器的比例、微分和积分参数；偏航通道采取侧滑角进行转弯，选择kp2、kd2和ki2分别为偏航通道PID控制器的比例、微分和积分参数；滚转通道通过角速度反馈进行稳定。3.如权利要求1所述的导弹PID控制器参数自适应调节的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述具有代表性的弹道点作为特征点的选取方法为：通过虚拟目标比例导引技术对程序飞行弹道进行设计，给出指令生成算法，并根据弹道特点选取特征点。4.如权利要求1所述的导弹PID控制器参数自适应调节的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡云安，李静，李海燕，雷军委，张友安，赵国荣，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：山东;37