基于PID的高速无人机高度控制系统设计

　　1　引言

　　无人机是现在众多国家的重点研究对象,提高它的速度可以提高突防效率,但提高飞行速度后,无人机的气动参数变化剧烈,非线性特性尤为明显,当然可以采用过载控制的设计方案,能够取得很好的控制效果。对无人机采用过载控制有很多优点,但由于它是一种较新型的控制方案,同时也给工程带来了一定的风险性。为此,笔者采用传统姿态控制设计方案,进行控制系统设计和回路的仿真分析。为了使无人机按预定的规律爬高,在理论上可以给出攻角变化规律αpr(t)、俯仰角变化规律pr(t)、高度变化规律Hpr(t)、航路倾角θpr(t),选取上述几种规律中的一种或几种,均可实现爬升段的航路设计。事实上,用于无人机上的迎角(又叫功角)不易测量,因此,在无人机上,通常采用程序俯仰角、程序高度来实现爬升段的方案控制。在确定完方案航路后,利用VC++软件编写并调试好理想航路计算程序及相关数据文件,运行后得到无人机的主要参数变化情况。然后选择特征点进行回路的根轨迹分析及Simulink模型仿真。在具体的设计过程中,首先采用根轨迹的方法对系统的开环传递函数进行分析,逐个确定各参数的大致取值范围,再利用时域和频域的分析方法,在取值范围内反复比较各组参数的时域和频域响应指标,直至得出一组最佳参数值。

　　2　按给定俯仰角的方案飞行

　　2.1　理想航路设计

　　所谓方案飞行[1],是指设计航路时,选定某个运动参数随时间变化的规律,并按照这个规律控制飞行轨迹。飞行方案可以有多种,例如按俯仰角pr(t)、按给定高度Hpr(t)或者按航路倾角(类似于导弹的弹道倾角)θpr(t)等。本文给出了一种按给定俯仰角飞行的方案,用于理想航路计算。

　　1)爬升段及高空巡航段

　　为缩短爬升时间,无人机发射后,助推器脱落前,先以恒定的大俯仰角爬升,助推器脱落一定时间后,以一定的比例逐渐减小俯仰角,到达平飞高度后,俯仰角信号恰好减小到平飞所需俯仰角,接近平飞通过俯仰角信号引入高度控制:其中,0为发射角,1为爬升中段的一恒定角,b为高平飞所需的俯仰角,K1,K2根据所设计航路的形状具体确定,t1,t2,t3为相应的时间。HH=

2000m为无人机高空巡航飞行高度。

        2)降高段

           降高段采用的飞行方案为式中,f为无人机降落时的设计俯仰角,t3为无人机开始降高的时间,K2,K3,K4的值根据所设计的航路的形状确定,t4为相应的时间。

　　2.2　无人机参数选取

　　无人机的俯仰角大致可以根据对无人机爬升(降高)时间的要求估算。设要求的爬升(降高)时间为Δt,高低空航路的高度差为ΔH,又设无人机直线爬升(降高),则平均航路倾角为