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基于模型解耦的双通道旋转弹分数阶控制

更新时间:2019-12-30 12:57:42 大小:1M 上传用户:xiaohei1810查看TA发布的资源 标签:粒子群算法解耦控制 下载积分:1分 评价赚积分 (如何评价?) 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了提高旋转弹系统的控制品质,采用分数阶控制器进行双通道旋转弹控制系统设计.建立了旋转弹系统控制模型,进行线性化处理和解耦控制,并对解耦后的数学模型设计了分数阶PIλDμ控制器.针对分数阶控制器的参数整定问题,提出一种基于惯性权重的自适应粒子群优化算法,引入惯性权重非线性调整策略来平衡控制全局与局部搜索,从而得到全局最优解.仿真结果表明,该控制模型和控制器的设计合理可行.

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系 统 工 程 与 电 子 技 术  
S ste m s E n eein nd ectrics  
39  
V ol  N o 5  
2017  
M a 2017  
                                                   
文 章 编 号 :  
网 址 :  
w w w  ele o m  
10006 X 2017 0106  
基 于 模 型 解 耦 的 双 通 道 旋 转 弹 分 数 阶 控 制  
1 2  
王 大 志  
1 .  
东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 辽 宁 沈 阳  
110819  
沈 阳 理 工 大 学 装 备 工 程 学 院 辽 宁 沈 阳  
2 .  
110159  
为 了 提 高 旋 转 弹 系 统 的 控 制 品 质 采 用 分 数 阶 控 制 器 进 行 双 通 道 旋 转 弹 控 制 系 统 设 计 建 立  
ꢀ ꢀ  
PIλ μ  
了 旋 转 弹 系 统 控 制 模 型 进 行 线 性 化 处 理 和 解 耦 控 制 并 对 解 耦 后 的 数 学 模 型 设 计 了 分 数 阶  
控 制 器 。  
针 对 分 数 阶 控 制 器 的 参 数 整 定 问 题 提 出 一 种 基 于 惯 性 权 重 的 自 适 应 粒 子 群 优 化 算 法 引 入 惯 性 权 重 非 线  
性 调 整 策 略 来 平 衡 控 制 全 局 与 局 部 搜 索 从 而 得 到 全 局 最 优 解 仿 真 结 果 表 明 该 控 制 模 型 和 控 制 器 的 设  
计 合 理 可 行 。  
PIλ μ  
关 键 词 分 数 阶  
控 制 器 旋 转 弹 粒 子 群 算 法 惯 性 权 重 解 耦 控 制  
中 图 分 类 号 :  
T P 273 TJ 413  
文 献 标 志 码 :  
 10 969 sn 0006 X 017 4  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
犉狉犪犮犾 狅狉犱犲狉 犮狅狀狋狉狅犾 犳狅狉 犱狅狌犫犾犲犮犺犪 狉狅 犲犮犻犾犲  
犵 狆 犼  
犫犪狊犲犱 狅狀 狋犺犲 犱犲犮狅狌  犿 狅犱犾  
B A O X ue1  
W A N G zhi  
犲狀 犪狀 110819 犆 犺犻狀犪  
犛犮犺狅狅犾 狅 犐狀 狅狉 犿 犪 犻犲狀犮犲 狀犱 犈 狀 狀犲犲狉犻狀  
犖 狅狉狋犺犲犪狋犲 犝 狀犻狏犲狉犻狋  
犲狀 犪狀 110159 犆 犺犻狀犪  
犛犮犺狅狅犾 狅 犈 狌犻 犿 犲狀狋 犈 狀 犻狀犲犲狉犻狀  
犲狀 犪狀 犔犻 狅狀 犝 狀犻狏犲狉犻狋  
狋狉犪犮狋 In order to  rove conrol it  the ro ro ecils s ste m the fracl order controler  
ꢀ ꢀ  
g p  
is a lid to conrol te doulehannl ron  
pp  
ro ecile . T  noear correcn rn  
ro ecile s ste m is  
g p  
g p  
m odd . T he racl order PIλ μ conroler is  ed fter ean and decou n control .In order to  
solve the ara m eter tin le m of tracl order controler n ada e aricle r m  l  
g p  
h m based on ineria w ei  osed . T he nonear ad usnt strate eria w ei  intrduced to  
gy  
im rove conver ence accurac of the l ori m so as to obtain the lobal o l solun . lati resuts  
sho w that the m odnd conroler are feasible .  
λ
犓犲 狑狉犱狊 racl order PI D controler ron  
μ
aricle  zati PS O neria  
);  
ro ece  
g p  
 decou  control  
行 解 耦 文 献 分 析 了 旋 转 式 导 弹 的 气 动 耦 合 特 性 用  
对 角 阵 方 法 设 计 了 导 弹 的 解 耦 控 制 系 统 文 献 采 用 反  
随 着 现 代 战 争 的 需 要 武 器 系 统 正 向 智 能 型 多 样 化 、  
馈 线 性 化 方 法 对 二 维 弹 道 修 正 弹 设 计 了 非 线 性 解 耦 控 制  
系 统 建 立 了 弹 体 的 非 线 性 数 学 模 型 但 没 有 考 虑 舵 片 的  
耦 合 性 本 文 建 立 了 弹 体 和 舵 片 的 非 线 性 数 学 模 型 采 用  
前 馈 补 偿 方 法 实 现 双 旋 弹 系 统 的 解 耦 将 旋 转 弹 六 自 由 度  
数 学 模 型 简 化 为 基 于 传 递 函 数 的 线 性 系 统 模 型 后 进 行 控  
制 研 究 。  
ꢀ ꢀ  
高 精 度 低 成 本 的 趋 势 发 展 因 此 旋 转 式 导 弹 由 于 其 结  
构 简 单 成 本 低 控 制 效 率 高 等 特 点 成 为 武 器 发 展 的 一 个  
重 要 方 向 它 主 要 在 战 术 导 弹 和 制 导 弹 箭 等 飞 行 器 上 采  
不 同 于 一 般 的 非 旋 转 导 弹 旋 转 弹 在 飞 行 过 程 中 绕 弹  
体 自 身 纵 轴 做 周 期 性 的 旋 转 而 弹 体 自 旋 会 产 生 马 格 努  
斯 效 应 引 起 俯 仰 和 偏 航 通 道 的 交 连 耦 合 不 能 像 控 制 非 旋  
为 了 提 高 系 统 的 动 态 特 性 和 稳 定 性 选 择 合 适 的 控 制  
转 导 弹 一 样 分  
个 通 道 分 别 考 虑 旋 转 弹 的 姿 态 控 制 要 比  
器 是 设 计 的 关 键 传 统 的  
控 制 器 以 物 理 意 义 明 确 结  
PID  
导 弹 更 为 复 杂 在 弹 道 控 制 前 需 要 对 旋 转 弹 的 控 制 模 型 进  
构 简 单 等 特 点 在 智 能 弹 药 控 制 系 统 中 广 泛 应 用 文 献 [ ]  
收 稿 日 期 :  
2015 11 19  
修 回 日 期 :  
2016 11 07  
网 络 优 先 出 版 日 期 。  
2016 12 22  
网 络 优 先 出 版 地 址 :  
/  
w w w   m s ta422 T N 0161222 114 10 ml  
万方数据 t  
基 金 项 目 辽 宁 省 教 育 厅 科 技 研 究 项 目 (  
资 助 课 题  
L2014073  
·
·
系 统 工 程 与 电 子 技 术  
39  
1108  
                                                   
利 用  
控 制 器 设 计 了 飞 行 器 的 姿 态 控 制 系 统 但 只 满  
略 它 们 之 间 的 乘 积 ;  
假 设 运 动 参 数 的 偏 量 在 小 扰 动 范 围 内 。  
PID  
足 在 特 征 点 附 近 具 有 较 好 的 动 态 特 性 体 现 了 系 统 的 不  
确 定 性 而 随 着 分 数 阶 理 论 的 发 展 越 来 越 多 地 应 用 到  
结 合 旋 转 弹 的 运 动 特 点 建 立 弹 体 的 扰 动 运 动 方 程 组  
实 际 控 制 系 统 中 文 献 [  
指 出 了 分 数 阶 控 制 器 具  
·
¨
犪′  
ΔΔΔα Δ  
犪′  
28 Δ  
25 Δδ 狕  
β
有 优 于 整 数 阶  
控 制 器 的 控 制 效 果 和 较 强 的 鲁 棒 性 。  
PID  
·
PIλ μ  
¨
分 数 阶  
控 制 器 是 最 具 代 表 的 分 数 阶 控 制 器 它 比  
′  
24 Δ Δα ΔΔδ 狔  
β
犫′  
Δ
22 Δ  
整 数 阶  
控 制 器 多 两 个 参 数  
λ
具 有 更 大 的 调 节  
Δθ Δα Δδ 狕  
( )  
PID  
区 间 且 适 用 于 整 数 阶 系 统  
修 正 弹 控 制 系 统 中 具 有 控 制 精 度 高 鲁 棒 性 强 控 制 灵  
活 等 特 点 文 献 基 于 粒 子 群 ( )算 法 设 计 了 船 舶 舵  
μ
·
将 分 数 阶 控 制 器 用 于  
35 Δδ 狔  
Δ
34 Δ  
β
ΔΔθ Δα  
PS O  
Δ
Δ  
Δ  
β
控 制 系 统 分 数 阶 控 制 器 文 献 基 于  
算 法 对 导 弹  
PS O  
10  
纵 向 状 态 方 程 进 行 了 分 数 阶 控 制 但 没 有 考 虑 导 弹 模 型 的  
气 动 耦 合 。  
式 中 弹 体 呈 轴 对 称 性 布 局 俯 仰 和 偏 航 方 向 的 气 动 力 系 数  
近 似 相 等 即  
8  
ω
犕  
为 阻 尼 动 力 系 数 ;  
4  
本 文 针 对 旋 转 弹 双 通 道 控 制 系 统 提 出 一 种 改 进 的  
δ
α
为 恢 复 动 力 系 数 ;  
25 犕 犑 狕  
为 操 纵 动 力 系 数 ;  
34  
狕  
优 化 算 法 对 旋 转 弹 分 数 阶 控 制 器 进 行 设 计 首 先 构 建  
35 δ狏  
犪′  
为 陀 螺 力  
PS O  
旋 转 弹 系 统 数 学 模 型 并 进 行 线 性 化 处 理 和 解 耦 处 理 然 后  
采 用 分 数 阶 控 制 器 对 该 系 统 进 行 控 制 调 整 控 制 参  
α狏  
/ ( 为 法 向 动 力 系 数 ;  
/ ( 为 舵 面 动 力 系 数 ;  
犿狏  
β
犕 犑 狕  
为 马 格 努 斯 力 矩 系 数 ;  
8  
狕  
ω 狓  
27  
PIλ μ  
提 出 一 种 惯 性 权 重 自 适 应 的  
矩 系 数 为 攻 角 为 侧 滑 角 为 弹 道 倾 角 为 偏 航 角 ;  
α
θ
β
PS O da  O A PS O  
为 俯 仰 角 为 弹 道 偏 角 。  
算 法 来 优 化 分 数 阶 控 制 器 的 参 数 以 提 高 算 法 的 计 算 精 度 、  
改 善 系 统 的 动 态 性 能 通 过 实 验 比 较 标 准  
弹 体 飞 行 时 受 到 的 各 作 用 力 或 力 矩 会 选 取 不 同 的 坐 标  
系 来 描 述 这 就 需 要 把 各 参 量 投 影 到 选 取 的 坐 标 系 中 在  
研 究 弹 丸 的 空 间 运 动 时 常 选 取 不 同 的 坐 标 系 来 描 述 参 量 。  
如 在 弹 道 坐 标 系 下 描 述 弹 箭 质 心 运 动 方 程 在 准 弹 体 坐 标  
系 下 描 述 绕 质 心 转 动 的 动 量 矩 方 程 而 对 于 非 旋 转 弹 体 来  
PS O  
S O  
主 导 极 点 法  
种 算 法 结 果 表 明 本 文 所 提 方 法 具 有 较 好 的  
控 制 效 果 。  
旋 转 弹 控 制 模 型  
姿 态 角  
在 弹 体 坐 标 系 下 描 述 对 于 旋 转 弹 体 来  
β
α
控 制 模 型 线 性 化  
1  
,  
则 在 准 弹 体 坐 标 系 下 描 述 各 坐 标 系 间 的 转 换 关  
β
α
旋 转 弹 在 飞 行 过 程 中 运 动 的 数 学 描 述 是 非 线 性 复 杂 系  
系 可 通 过 角 度 间 的 投 影 变 换 得 到 准 弹 体 坐 标 系 是 为 研 究  
旋 转 弹 的 旋 转 运 动 而 引 入 的 弹 体 坐 标 系 和 准 弹 体 坐 标 系  
本 文 采 用 扰 动 方 法 将 非 线 性 方 程 组 近 似 成 线 性 的 弹 体  
扰 动 运 动 方 程 组 推 导 出 系 统 的 传 递 函 数 由 于 旋 转 稳 定  
的 弹 箭 在 飞 行 时 绕 弹 轴 滚 转 会 产 生 陀 螺 效 应 和 马 格 努 斯  
效 应 这 使 得 旋 转 弹 的 数 学 模 型 具 有 强 耦 合 特 性 俯 仰 方 向  
和 偏 航 方 向 的 运 动 耦 合 在 一 起 因 此 控 制 对 象 数 学 模 型 不  
能 分 成 纵 横 向 分 别 考 虑 需 要 进 行 解 耦 处 理 有 控 弹 箭 的  
间 的 关 系 可 由 一 个 自 转 角  
确 定 转 换 矩 阵 为  
γ
cos  
sin  
( )  
( )  
γ
sin  
γ
γ
γ
cos  
γ
系 统 耦 合 特 性 分 析  
六 自 由 度 非 线 性 数 学 模 型 的 建 立 参 见 文 献 [ ]。 基 于 以 下  
11  
2  
假 设 对 模 型 进 行 线 性 化 处 理 :  
对 式 ( )进 行 拉 普 拉 斯 变 换 后 得 到 对 应 的 传 递 函 数 以  
假 设  
采 用 冻 结 系 数 法 即 假 定 认 为 未 参 与 扰 动 的  
输 出 向 量 为 [  
Δα  
Δ
]、控 制 向 量 为 [ ]为 例 得 到 弹 体  
Δδ Δδ 狕  
β
模 型 在 准 弹 体 坐 标 系 下 对 应 的 传 递 函 数 为  
弹 体 气 动 特 性 参 数 结 构 特 性 参 数 等 均 保 持 不 变 ;  
假 设  
假 设  
假 设  
弹 体 的 气 动 特 性 按 轴 对 称 特 性 处 理 ;  
不 考 虑 弹 体 重 力 对 转 动 速 率 影 响 ;  
β
δ狔  
( )  
燄  
βδ  
( )  
( )  
δ  
α
δ狔  
αδ  
( )  
( )  
将 运 动 参 数 , , , , 等 按 小 量 看 待 并 忽  
 θ α  
ω 狕  
β
( )  
( )  
8  
4  
Δα  
Δδ 狕  
β
δ狔  
( )  
αδ  
( )  
8  
2  
](  
5  
2  
4  
5  
2  
( )  
8  
4  
)(  
5  
8  
( )  
8  
5  
2  
4  
Δ
β
Δδ 狕  
α
δ狔  
βδ  
( )  
( )  
( )  
8  
- -  
2  
2  
( )  
8  
4  
万方数据  

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