小型固定翼飛行器前進(jìn)速度模糊控制器設(shè)計(jì)

摘要在最近的這些年來(lái)，對(duì)于小型固定翼飛行器的研究以及應(yīng)用逐漸成為熱門(mén)話題，各種形態(tài)迥異的小型飛行器產(chǎn)物普遍至世界各地。通常而言，在對(duì)于小型固定翼飛行器絕大多數(shù)的適用范圍便是在載人或載物之上。具體的成果有很多，例如說(shuō)有運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)、西銳SR-20型飛機(jī)、以及小鷹500型多用途飛機(jī)等等。進(jìn)一步而言，假如飛行技術(shù)按照目前的趨勢(shì)進(jìn)行發(fā)展，我國(guó)的飛機(jī)產(chǎn)業(yè)必定會(huì)順著時(shí)代進(jìn)行進(jìn)一步的變革和改進(jìn)，飛行器也會(huì)因此在更多不同的領(lǐng)域滲透進(jìn)入人們的生活之中。當(dāng)我們談到飛行器技術(shù)的核心，不言而喻便是針對(duì)飛行器控制器的設(shè)計(jì)。由于時(shí)代變更，當(dāng)今比較傳統(tǒng)的控制器沒(méi)有辦法精確迅速地應(yīng)對(duì)某些突發(fā)狀況或者是過(guò)于復(fù)雜的飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理并且能夠適用的飛行器模糊控制器便顯得尤其重要。在飛行器進(jìn)行載人載物的過(guò)程之中，飛行器駕駛員能判定飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)期間當(dāng)前的大致速度的手段十分有限，通常僅僅是通過(guò)飛行器自帶的儀器儀表以及駕駛員本人多年的飛行經(jīng)驗(yàn)，并且以此作為依據(jù)做出相應(yīng)的判斷。所以說(shuō)為了更流暢地操控小型固定翼飛行器，防止在飛行過(guò)程中出現(xiàn)飛行器前進(jìn)速度不易掌控的事件，研究控制小型飛行器固定翼前進(jìn)速度已然成為了一件刻不容緩的事情。對(duì)于小型固定翼飛行器前進(jìn)速度的控制有很多種，比如說(shuō)模糊控制、普通PID控制、模糊PID控制等等。模糊控制簡(jiǎn)而言之便是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能方法，它首先將操作人員或者專家經(jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，并將推理后的輸出量添加到執(zhí)行器上完成對(duì)飛行器的控制。本篇論文將從模糊控制這個(gè)概念展開(kāi)，對(duì)于有關(guān)小型固定翼飛行器前進(jìn)速度進(jìn)行一個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)。首先建立小型固定翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型并且求出其前進(jìn)速度的傳遞函數(shù)；隨后理解模糊控制的方法并且設(shè)計(jì)小型固定翼飛行器前進(jìn)速度的模糊控制方法；并且最終采用MATLAB軟件，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制方法的有效性并且在其中彌補(bǔ)不足，修改數(shù)據(jù)，最終得到小型固定翼飛行器前進(jìn)速度的目標(biāo)函數(shù)圖像。關(guān)鍵詞：固定翼，模糊控制，前進(jìn)速度，仿真實(shí)驗(yàn)Designoffuzzycontrollerfortheforwardspeedofsmallfixed-wingaircraftABSTRACTInrecentyears,theresearchandapplicationofsmallfixed-wingaircrafthasgraduallybecomeahottopic,andvarioussmallaircraftproductswithdifferentshapesarewidespreadallovertheworld.Generallyspeaking,mostofthescopeofapplicationforsmallfixed-wingaircraftistocarrypeopleorobjects.Therearemanyspecificresults,suchastheYun-5transportaircraft,theCirrusSR-20aircraft,andtheKittyHawk500multi-purposeaircraft.Furthermore,ifflighttechnologydevelopsinaccordancewithcurrenttrends,mycountry'saircraftindustrywillsurelyundergofurtherchangesandimprovementsalongwiththetimes,andaircraftwillalsopenetrateintopeople'slivesinmoreanddifferentfields.Whenwetalkaboutthecoreofaircrafttechnology,itgoeswithoutsayingthatitisthedesignofaircraftcontrollers.Duetochangesinthetimes,today'smoretraditionalcontrollerscannotaccuratelyandquicklyrespondtocertainemergenciesoroverlycomplexaircraftstructuralsystems.Therefore,itisparticularlyimportanttodesignareasonableandapplicableaircraftfuzzycontroller.Intheprocessofmannedandloadedaircraft,thepilotoftheaircraftcandeterminethecurrentapproximatespeedoftheaircraftduringthemissionisverylimited,usuallyonlythroughtheaircraft'sowninstrumentationandthepilot'smanyyearsofflightexperience.,Andmakecorrespondingjudgmentsbasedonthis.Therefore,inordertocontrolthesmallfixed-wingaircraftmoresmoothlyandpreventtheoccurrenceofeventsthataredifficulttocontroltheforwardspeedoftheaircraftduringtheflight,ithasbecomeanurgentmattertostudyandcontroltheforwardspeedofthefixedwingofthesmallaircraft.Therearemanykindsofcontrolfortheforwardspeedofsmallfixed-wingaircraft,suchasfuzzycontrol,ordinaryPIDcontrol,fuzzyPIDcontrolandsoon.Inshort,fuzzycontrolisanintelligentmethodthatimitateshuman'sfuzzyreasoninganddecision-makingprocessfromthebehavior.Itfirstcompilestheoperator'sorexpertexperienceintofuzzyrules,andthenfuzzesthereal-timesignalfromthesensor.Thetransformedsignalisusedastheinputofthefuzzyrulestocompletethefuzzyinference,andtheoutputaftertheinferenceisaddedtotheactuatortocompletethecontroloftheaircraft.Thispaperwillstartfromtheconceptoffuzzycontrol,anddesignafuzzycontrollerfortheforwardspeedofasmallfixed-wingaircraft.Firstlyestablishthedynamicmodelofthesmallfixed-wingaircraftandobtainthetransferfunctionofitsforwardspeed;thenunderstandthefuzzycontrolmethodanddesignthefuzzycontrolmethodoftheforwardspeedofthesmallfixed-wingaircraft;andfinallyuseMATLABsoftwaretoconductsimulationexperimentstoverifyTheeffectivenessofthecontrolmethodandmakeupfortheshortcomings,modifythedata,andfinallyobtaintheobjectivefunctionimageoftheforwardspeedofthesmallfixed-wingaircraft.Keywords:fixed-wing,fuzzycontrol,theforwardspeed,simulationexperiments小型固定翼飛行器前進(jìn)速度模糊控制器設(shè)計(jì)錢(qián)逸存0811171331緒論研究背景與意義由于飛行器的技術(shù)發(fā)展非常迅速，并且其極大程度地縮短了人們?nèi)ギ惖氐臅r(shí)間，在經(jīng)過(guò)了這么多年的發(fā)展以后，也同時(shí)具有了一定程度的性價(jià)比性價(jià)比。飛行器能夠?yàn)槿藗儙?lái)的巨大便利性，人們僅僅需要花費(fèi)時(shí)間前往機(jī)場(chǎng)等待，全程花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)就能夠到達(dá)目的地，與此同時(shí)坐火車可能要十幾個(gè)小時(shí)甚至是一天，若是在海外需要渡輪則會(huì)更加花費(fèi)大量時(shí)間精力。也正是因?yàn)槿绱?，飛行器擁有種種其他交通工具無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)，從而使得如今，無(wú)論是在新聞中或是有關(guān)學(xué)術(shù)的研究報(bào)告里面，只要“飛行器”這三個(gè)大字出現(xiàn)在銀幕上，就能深深地吸引著人們的眼球。更何況，如今我國(guó)重視飛行器產(chǎn)業(yè)，大幅度提升了飛行器的生產(chǎn)效率并且擴(kuò)大了飛行器行業(yè)的規(guī)模?；蚴窃谳d人載物層面，亦或是在生活中的許多實(shí)用方面，飛行器都有很大的應(yīng)用價(jià)值和十分深遠(yuǎn)的就業(yè)方向。伴隨著大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，全世界在有關(guān)飛行航天的領(lǐng)域上取得了極大的進(jìn)步，也因此，作為飛行器眾多迥異機(jī)型中最廣為使用的機(jī)型之一，小型固定翼飛行器在近年來(lái)逐漸成為了一個(gè)熱門(mén)話題，對(duì)于小型固定翼飛行器用途的開(kāi)發(fā)也越來(lái)越多。與大型飛機(jī)做比較的話，小型固定翼飛行器對(duì)于機(jī)場(chǎng)的要求較低，周轉(zhuǎn)和整備的時(shí)間較短，速度較快并且性價(jià)比很高。其缺點(diǎn)在于小型固定翼飛行器的商載人數(shù)較少并且相較于大型飛機(jī)其飛行距離更短，但是取而代之的是其余種類飛機(jī)望塵莫及的便利性；同時(shí)對(duì)于飛行員來(lái)說(shuō)，駕駛小型飛機(jī)的工作強(qiáng)度也會(huì)小很多，反觀大型飛機(jī)，在長(zhǎng)時(shí)間飛行過(guò)程中由于人員疲憊以及設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的問(wèn)題存在，可能需要兩位飛行員交替檢查儀器并且進(jìn)行輪班，這樣做的話，便涉及到了機(jī)組的輪換交接問(wèn)題，合作問(wèn)題，緊急情況下各自分工問(wèn)題等等，這無(wú)疑對(duì)于飛行員的培訓(xùn)需求和機(jī)組的人員需求都增加了許多。小型飛機(jī)的運(yùn)用范圍非常廣泛，其根本在于靈巧性，因而能承擔(dān)很多日常生活所需，例如說(shuō)小規(guī)模的載人載物，抑或是家庭出游等。有部分小型固定翼飛機(jī)還拓展了軍事作用，增強(qiáng)它們的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性，從而發(fā)展成為轟炸機(jī)、偵察機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、軍用無(wú)人機(jī)等等不同軍用機(jī)型。在當(dāng)今的軍事化飛機(jī)里面，有很大一部分隸屬于小型固定翼飛機(jī)，因?yàn)槠湓趹?zhàn)場(chǎng)上的可操縱性高、靈活度高、操作人員少，最大幅度地提升了飛行員的操縱上限。當(dāng)然，也有部分演化為了無(wú)人機(jī)步入我們的日常生活，增強(qiáng)了其娛樂(lè)性，在無(wú)人機(jī)上通過(guò)裝備攝像頭，能夠進(jìn)行航拍，給影視產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一種新的攝影方法。例如說(shuō)在記錄片的拍攝上，人們?cè)?jīng)廣泛使用隱蔽攝像機(jī)抓拍動(dòng)物，這樣角度固定而且不方便操縱。如今便可以使用無(wú)人機(jī)拍攝，在記錄的同時(shí)還能夠順便拍攝當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)景外貌等等。在家庭中則具有了娛樂(lè)作用，被設(shè)計(jì)成玩具，讓孩子們對(duì)航空也起到了啟蒙教育的作用。也有些無(wú)人機(jī)在經(jīng)過(guò)改造后發(fā)展了別的功能，例如田地澆水施肥、森林救火、公安執(zhí)法、巡邏偵探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等等不同的用途。因此，作為小型固定翼飛行器的核心技術(shù)之一，控制系統(tǒng)在不斷進(jìn)行升級(jí)和革新。20世紀(jì)80年代以來(lái)，在現(xiàn)代工業(yè)控制和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的控制系統(tǒng)，基本都屬于建立在被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上的。由于被控對(duì)象的復(fù)雜性，對(duì)被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型增加了很多的不確定性，有的情況下對(duì)被控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的可能性可以說(shuō)是基本為零，使用常規(guī)的控制方法很難取得令人滿意的控制效果。因此，面對(duì)該類問(wèn)題時(shí)人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的思維，對(duì)無(wú)法構(gòu)造精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效控制。為了解決傳統(tǒng)控制理論的局限性，模擬人的思維和活動(dòng)的智能控制誕生了,這就是模糊控制。本篇論文將通過(guò)建立小型固定翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型以及通過(guò)MATLAB仿真等方式對(duì)于小型固定翼飛行器前進(jìn)速度模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其有效性。國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀在最近幾年里，對(duì)于小型固定翼飛行器前進(jìn)速度控制的研究無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都得到了大家的一致關(guān)注以及重視。伴隨著信息科技時(shí)代的快速發(fā)展，飛行器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。人類為了真正意義上地實(shí)現(xiàn)航天航空這一夢(mèng)想，自古以來(lái)就在不斷創(chuàng)造創(chuàng)新。1903年12月17日，萊特兄弟進(jìn)行了“第一次重于空氣的航空器進(jìn)行受控的持續(xù)飛行”，并且取得了國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)的認(rèn)可。因此，他們也變成了公認(rèn)的飛行器創(chuàng)始人。在此后，各路科學(xué)家涌現(xiàn)出來(lái)，在萊特兄弟的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化，更迭換代，也因此飛行器便隨之發(fā)展起來(lái)了，科學(xué)家們研究出了不同種類、不同功用的飛行器。但是，隨著飛行任務(wù)的復(fù)雜度不斷增加，飛行器也需要朝著智能化和多元化的方向發(fā)展，因此有關(guān)飛行器的控制理論也在不斷更新替換。因而，伴隨著飛行器不斷變更而使得那些比較傳統(tǒng)的控制理論在當(dāng)下這個(gè)時(shí)代相對(duì)而言顯得過(guò)時(shí)，人們?nèi)缃裥枰粋€(gè)全新的控制理論以便于最有效地操控飛機(jī)，也就由此衍生出了現(xiàn)代控制理論。然而，經(jīng)典控制理論和較為現(xiàn)代的專家控制理論都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，便在于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上。如果我們從實(shí)際情況出發(fā)，顯而易見(jiàn)的是，飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)是不可能保持同一種狀態(tài)貫徹始終、一成不變的，有可能會(huì)經(jīng)常性出現(xiàn)各種狀況或者一定差錯(cuò)，例如說(shuō)，在飛行過(guò)程中由于飛行器遭遇了突發(fā)氣流導(dǎo)致顛簸，類似于這種情況在現(xiàn)實(shí)中屬于十分常見(jiàn)并且不能避免的問(wèn)題。在這種情況之下，飛行器的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了強(qiáng)耦合的現(xiàn)象，從而也會(huì)出現(xiàn)非線性、不穩(wěn)態(tài)等一系列的狀況。倘若現(xiàn)今的飛行器無(wú)法對(duì)此類情況做出即時(shí)的判斷和調(diào)整，后果將不堪設(shè)想，航空科技也就無(wú)法進(jìn)一步發(fā)展。所幸的是，人們提出了不依賴于數(shù)學(xué)模型的模糊控制技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，身處美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Zadeh教授公開(kāi)發(fā)表了著名的論文"fuzzyset"，也就是如今人們所熟知的一個(gè)概念——模糊集，并以該論文為基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了模糊理論。從此往后，對(duì)于模糊控制領(lǐng)域的研究大幅增加，模糊數(shù)學(xué)、模糊因子、模糊決策方法等一系列新的概念的提出，模糊理論體系得到了不斷的完善。迄今為止，模糊控制已經(jīng)逐漸地形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究領(lǐng)域，并且能夠被廣泛地運(yùn)用于航天航空領(lǐng)域。國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)是第一個(gè)提出模糊控制這一概念并嘗試將其運(yùn)用于飛行器上的國(guó)家。在20世紀(jì)60年代，人們提出了不依賴于數(shù)學(xué)模型的模糊控制技術(shù)，也就是上文所說(shuō)，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Zadeh教授公開(kāi)發(fā)表了著名的論文"fuzzyset"(中文翻譯為“模糊集”)，并借此開(kāi)創(chuàng)了模糊理論。1974年，英國(guó)的Mamdani首先成功的將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制，并取得了良好的效果，這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。1973年最初的模糊思想也是由Zadeh教授提出，這個(gè)思想適用于解決復(fù)雜系統(tǒng)分析與決策的新方法，同時(shí)也為模糊控制領(lǐng)域奠定了理論基礎(chǔ)。在此后，世界上第一個(gè)使用模糊控制思想的工程誕生了，即模糊水泥窯控制器，大大的促進(jìn)了模糊理論的進(jìn)一步發(fā)展。在1988年，美國(guó)國(guó)家航空航天局約翰遜航天中心召開(kāi)了第一屆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)。到日本方面來(lái)說(shuō)，模糊控制制算法被用作為模糊控制理論的主要研究方向。此外，德國(guó)的西門(mén)子公司和Infomm公司合作推出了第三代模糊處理器，被大家稱之為Fuzzy-166。1992年，美國(guó)IEEE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)發(fā)起并召開(kāi)了第一屆IEEE模糊系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議，由此代表著模糊控制在控制領(lǐng)域占有了一席之地。1994年，美國(guó)IEEE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)創(chuàng)辦了專業(yè)雜志《模糊系統(tǒng)》。至此，模糊控制已經(jīng)變成了一門(mén)較為成熟的學(xué)問(wèn)，伴隨著越來(lái)越多的人的探索，它還會(huì)不斷發(fā)展壯大。國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀到了我們?nèi)缃裆畹哪甏?，我們中?guó)國(guó)內(nèi)在對(duì)于模糊系統(tǒng)和模糊控制理論與應(yīng)用的研究方面都在穩(wěn)定逐步地發(fā)展、深造，其研究涉及的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，在這里面包括了冶金、交通、電子、電力等等諸多種種方面。例如說(shuō)，身處中科院上海微生物系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副所長(zhǎng)劉海濤院士，他便針對(duì)工業(yè)飛行器高速高精度控制方面做了突出貢獻(xiàn)，將他的成果概括而言，就是采用了有限時(shí)間控制器，大幅度提升了U17-201在高速控制下的魯棒性，從而使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差低于5%以內(nèi)。模糊控制在短暫的四十年里面得到廣泛的發(fā)展，并在現(xiàn)實(shí)生活中得以大幅應(yīng)用，逐漸成為人們生活的一部分，它的主要精髓就在于這個(gè)模糊邏輯其本身。模糊邏輯的工作方式便是通過(guò)提供由專家構(gòu)造的語(yǔ)言信息，并且將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法，因此使得我們能夠解決許多復(fù)雜而無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的控制問(wèn)題，它也是處理非線性、時(shí)變不確定系統(tǒng)的一種強(qiáng)有效方法。然而，從嚴(yán)格而言，模糊控制算法仍然是一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù)，是一門(mén)還在鉆研中的學(xué)問(wèn)。哪怕截止至今，模糊控制技術(shù)還是一套沒(méi)有足夠完善的系統(tǒng)控制技術(shù)。從理論上而言，在過(guò)程的控制中，當(dāng)我們使用模糊控制算法時(shí)，我們依然無(wú)法做到像經(jīng)典專家控制那樣，能夠明確證實(shí)此模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是，在更多的模糊控制相關(guān)技術(shù)被不斷完善以后，人們反而能更加清楚地認(rèn)識(shí)到，模糊控制研究之中面臨的諸多理論問(wèn)題已經(jīng)成為了模糊控制算法廣泛應(yīng)用的最大障礙。因而，按照目前的發(fā)展趨勢(shì)而言，這項(xiàng)模糊控制技術(shù)已經(jīng)成為熱門(mén)的研究領(lǐng)域，但是其同時(shí)也給各位研究員帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)本篇論文將主要設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)一種模糊控制算法，以達(dá)成對(duì)于飛行器的模糊控制。圍繞該課題，論文將會(huì)劃分為以下幾部分，依次進(jìn)行：第一步：通過(guò)建立小型固定翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)該動(dòng)力學(xué)模型求出有關(guān)其前進(jìn)速度的傳遞函數(shù)。第二步：掌握、學(xué)習(xí)、理解模糊控制方法，隨后設(shè)計(jì)出小型固定翼飛行器前進(jìn)速度的模糊控制方法。第三步：通過(guò)采用MATLAB軟件，對(duì)該模糊控制法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制方法的有效性并作出合理調(diào)整。2小型固定翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型的建立眾所周知的是，建立精確的小型固定翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)于該飛行器進(jìn)行模糊控制分析的基礎(chǔ)。在得到飛行器動(dòng)力學(xué)模型前，我們首先要對(duì)于飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并從中得出飛行器的動(dòng)態(tài)特性。隨后，我們需要對(duì)于部分已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析，并且在最終利用模型修正技術(shù)，從而能構(gòu)造出一個(gè)能夠反映真實(shí)結(jié)構(gòu)特性的、高精度的固定翼飛行器模型。在提及有關(guān)小型固定翼飛行器的操縱方式時(shí)，由于伴隨著時(shí)代的變更，飛行器的更新迭代，曾經(jīng)廣泛運(yùn)用的傳統(tǒng)專家控制逐漸不再能適用于當(dāng)今設(shè)計(jì)較為成熟、功能更加多樣化和專業(yè)化的飛行器。小型固定翼飛行器的操縱方式也同時(shí)在專家們的逐步優(yōu)化之下進(jìn)行不斷的變革。當(dāng)今而言，我們的小型飛行器操作方式可以概括性地被劃分成為兩種不同的形式。首先，第一種操作方法便是在小型固定翼飛行器執(zhí)行飛行任務(wù)的過(guò)程中，如果前進(jìn)速度比較小時(shí)，則飛行員需要向前推進(jìn)油門(mén)桿，使得飛行器作低頭俯沖運(yùn)動(dòng)，致使飛行器的前進(jìn)速度加快。反之，當(dāng)飛行器前進(jìn)速度較高時(shí)，可進(jìn)行向后拉油門(mén)桿的操作，因而飛行器抬頭，最終達(dá)到減速效果。從中，我們可以得出，飛行器的在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)所預(yù)算的時(shí)間長(zhǎng)短和飛行器進(jìn)行飛行任務(wù)時(shí)的空速掛鉤，彼此之間有著密切的聯(lián)系。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)便在于，飛行器的首要控制因素是飛行員可以主觀、直接操控的前進(jìn)速度，這樣一位經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員便不僅可以確保飛行器在航行過(guò)程中對(duì)飛行器以及其所運(yùn)載的人或者貨物的安全保障，尤其令人注意的是，若飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)的過(guò)程中，由于遇到干擾氣流產(chǎn)生顛簸或者因?yàn)椴恍以庥鰫毫犹鞖庵T如這類的突發(fā)狀況，也因此導(dǎo)致飛行器在飛行期間發(fā)生了一定程度的、無(wú)法立即進(jìn)行修復(fù)的損壞或者故障時(shí)，航空公司便可以迅速有針對(duì)性地根據(jù)飛行員的報(bào)告實(shí)施救援行動(dòng)措施，使得飛機(jī)能夠一直維持安全的狀態(tài)，緩慢降低飛行器的前進(jìn)速度以及高度，直到飛行器安全抵達(dá)地面、乘客安然著陸為止。然而，這種方法是存在弊端的，其最大的問(wèn)題便在于飛行器對(duì)于前進(jìn)速度的控制存在一個(gè)飛行員的判斷問(wèn)題，需要一位經(jīng)驗(yàn)十分豐富的飛行員以便遇到突發(fā)狀況時(shí)能夠及時(shí)判斷。此外，在突發(fā)狀況時(shí)，由于可能會(huì)出現(xiàn)儀器失靈的狀況，飛行員對(duì)于航速的控制可能會(huì)存在一定的延遲甚至是錯(cuò)誤，這些都是存在一定的安全隱患的，也會(huì)對(duì)飛行員本身帶來(lái)極大的心理負(fù)擔(dān)。因而，專家們認(rèn)為這種做法仍需要更為安全的保障，以便于輔佐飛行員在緊急情況之下進(jìn)行判斷。也就在這種情況之下，第二種控制方法誕生了。在這種方法中，專家們通過(guò)設(shè)置了針對(duì)飛行器前進(jìn)速度的控制器，這樣能更為簡(jiǎn)便地對(duì)飛行器進(jìn)行更大程度的操控以及限制。首先，專家們會(huì)給這個(gè)前進(jìn)速度控制器設(shè)置一個(gè)理論的前進(jìn)速度，假如飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)過(guò)程中，其前進(jìn)速度高于或低于理論前進(jìn)速度之時(shí)，專家控制器便會(huì)發(fā)出警告提醒飛行員，并且還會(huì)控制速度輸出，對(duì)于飛行器進(jìn)行一個(gè)加速或者時(shí)減速的操縱，從而起到一個(gè)對(duì)于速度的控制效果。并且，這類專家控制器能夠根據(jù)飛機(jī)與預(yù)定速度之差，一步步地將空速逐漸提升至（或降低至）理論前進(jìn)速度，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算，盡快地消除速度偏差。除此以外，駕駛員還能通過(guò)操控升降舵，以此控制飛機(jī)的升降角。如果升降角過(guò)小，駕駛員便可通過(guò)操縱升降舵對(duì)飛機(jī)進(jìn)行拉升。這種控制方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)︼w行器前進(jìn)速度的變化做出相應(yīng)的操縱，因此對(duì)于空速的控制會(huì)更好，也正因?yàn)檫@樣，專家們便將其當(dāng)作一種更好的控制方式并且運(yùn)用于大部分飛行器上。這類專家控制器，無(wú)疑是給飛行帶來(lái)了極大的便捷，然而它也不是萬(wàn)能的，它并非十全十美。專家控制器有一個(gè)十分致命的缺點(diǎn)，也正是如此這個(gè)問(wèn)題大家都無(wú)法對(duì)其忽視，并且想方設(shè)法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。它們的弊端，也就是說(shuō)，由于飛行器的建模為一個(gè)精確的數(shù)字建模，在飛行過(guò)程中都會(huì)以穩(wěn)態(tài)飛行作為參照，它無(wú)法預(yù)料到突發(fā)狀況對(duì)于飛行器的影響并且針對(duì)其做出一定程度的改動(dòng)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)的過(guò)程中發(fā)生了油門(mén)失靈，抑或是發(fā)動(dòng)機(jī)失靈時(shí)，由于飛行器航速的降低，照理來(lái)說(shuō)應(yīng)該以維持飛行器動(dòng)力，防止進(jìn)一步損壞作為第一目標(biāo)。然而專家控制器擬定的航速仍在，會(huì)使得它操控飛行器讓其強(qiáng)行維持在一個(gè)發(fā)生意外之前的前進(jìn)速度，這種操作，尤其是在飛行器已經(jīng)發(fā)生一部分動(dòng)力外泄的時(shí)候，會(huì)大量消耗飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，大幅縮短其在救援趕來(lái)之前所能維持的最長(zhǎng)飛行時(shí)間，最終可能會(huì)因?yàn)槿狈S持飛行器前進(jìn)的動(dòng)力，最終導(dǎo)致失速，造成大家都不愿意看到的最壞的結(jié)局。因而，在目前的技術(shù)狀況之下，雖然人類還不能做到完全控制三維事物，大家也在齊心協(xié)力做出最大的改觀。科學(xué)家們將上述所說(shuō)的這兩種不同的控制模式分別進(jìn)行了研究，并最終選擇了將其進(jìn)行結(jié)合，起到一個(gè)相輔相成的作用，這樣也能夠便于飛機(jī)在實(shí)際情況中可以進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。在通常的情況下，飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)以第二種控制模式作為其主要操控方式。在航行過(guò)程中，如果出現(xiàn)了飛機(jī)航速降低到某一規(guī)定航速以下，抑或是被認(rèn)定是出現(xiàn)了異常的情況，這次需要由駕駛員迅速改寫(xiě)模式為剛才所述的第一種控制模式，用以確保飛行器在行程過(guò)程中的安全。因此，專家控制在飛行器的控制中是非常重要的，但倘若需要應(yīng)對(duì)比較復(fù)雜或者模型不確定的系統(tǒng)，哪怕是專家控制也會(huì)很難對(duì)其進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確、相應(yīng)的調(diào)節(jié)與控制。所以說(shuō)，專家控制器實(shí)際上也不是一個(gè)十全十美的設(shè)計(jì)，也由此刻起大家便深刻理解了：設(shè)計(jì)小型固定翼飛行器的前進(jìn)速度模糊控制器是一件迫在眉睫、刻不容緩的事情。因此，先求出飛行器的傳遞函數(shù)便是本章的主要內(nèi)容。2.1縱向運(yùn)動(dòng)方程何為縱向運(yùn)動(dòng)？假設(shè)飛行器在航行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生滾動(dòng)和偏航，那么縱向運(yùn)動(dòng)即為飛行器在垂直面的運(yùn)動(dòng)特性。飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)的主要作用力如下圖2.1所示。圖2.1飛機(jī)縱向受力圖發(fā)動(dòng)機(jī)推力T：方向沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線，與飛機(jī)軸線成安裝角，推力產(chǎn)生的力矩為；升力L：垂直于飛行速度V，向上為正；阻力D：平行于飛行速度，方向與速度相反；重力G：垂直向下，數(shù)值為mg；氣動(dòng)俯仰力：使飛機(jī)抬頭為正（軸為正方向）；總的俯仰力矩。沿速度方向的力（2.1）沿速度垂直方向的力（2.2）這樣（2.3）由于法向加速度與速度的關(guān)系滿足（2.4）為垂直于速度方向的加速度?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝角很小，飛機(jī)除在起飛、著陸時(shí)迎角較大外，在巡航飛行時(shí)迎角也比較小，因此（2.5）另外，，一般不大，所以（2.6）最后，我們可以得到簡(jiǎn)化的飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)方程（2.7）2.2縱向運(yùn)動(dòng)方程線性化在縱向運(yùn)動(dòng)方程中，力（T，D，L）和力矩（M）是線性化的關(guān)鍵。但是，首先需要確認(rèn)它們與飛行參數(shù)之間的關(guān)系。一般地，發(fā)動(dòng)機(jī)推力與飛行速度V、空氣密度（確定發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量）、供油量（油門(mén)桿位置），排氣溫度和排氣壓力、渦輪轉(zhuǎn)速等有關(guān)。在基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)附近，認(rèn)為排氣溫度和排氣壓力、渦輪轉(zhuǎn)速等變化不大，這樣（2.8）在前面討論升力和阻力時(shí)，已經(jīng)知道飛機(jī)升力是飛行速度V、空氣密度、迎角、升降舵偏角的函數(shù)，而及q的影響可以忽略不計(jì)。升降舵偏角對(duì)阻力的影響也可以忽略不記，因此氣動(dòng)力矩與飛行速度V、空氣密度、迎角、升降舵偏角、迎角導(dǎo)數(shù)及俯仰角速度q有關(guān)，可以寫(xiě)做（2.11）在基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)為水平直線飛行條件下，擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的高度對(duì)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的高度變化不大，這樣，空氣密度基本不變，在上述關(guān)系中可以不考慮空氣密度的影響。所以（2.12）假設(shè)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為（），對(duì)推力、升力、阻力和俯仰力矩進(jìn)行線性化，得到為了方便，記氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)這樣，推力、升力、阻力和力矩表示為（2.13）2.3切向動(dòng)力學(xué)方程線性化如上文所述，切向力方程為（2.14）由于（2.15）在基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)上，，則有（2.16）考慮到基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)變量滿足（2.17）因此（2.18）進(jìn)一步有（2.19）由于，代入上列公式可以得到(2.20)引入速度的相對(duì)變化量，令,則由上式(2.21)在式(2.21)之中，發(fā)動(dòng)機(jī)和倒是需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線確定，這里至考慮導(dǎo)數(shù)和的計(jì)算公式.阻力公式滿足(2.22)這里是迎角和馬赫數(shù)的函數(shù)，，因此因此(2.25)為表達(dá)方便，令(基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù))（基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)）則(2.26)同樣(2.27)其中為阻力系數(shù)在基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)對(duì)迎角的導(dǎo)數(shù)。所以切向線性化方程為2.4法向動(dòng)力學(xué)方程線性化法向動(dòng)力學(xué)方程滿足(2.30)首先考慮法向加速度，以編導(dǎo)數(shù)形式表示(2.31)由于已知（為常數(shù)時(shí)也成立），則(2.32)忽略高階小量后，得到(2.33)考慮到所以(2.36)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)平飛，升力等于重力，即，（時(shí)，，運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)干擾），故與阻力導(dǎo)數(shù)類似，可以得到因此切向動(dòng)力學(xué)線性化方程為2.5繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程線性化繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程需要滿足(2.44)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)滿足(2.45)由于，考慮到以下關(guān)系：因此(2.48)整理后得到線性化方程如下：(2.51)參數(shù)計(jì)算公式(2.52)這里。且，，其中，2.6縱向運(yùn)動(dòng)線性化方程總結(jié)飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)的線性化方程概括如下：(2.53)三個(gè)方程分別表示軸的加速度運(yùn)動(dòng)（受推力、阻力等影響），軸的加速度運(yùn)動(dòng)（速度向量的轉(zhuǎn)動(dòng)，軌跡變化特征），繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（受力矩M的作用）。為了方便表達(dá)，我們將各變量的系數(shù)用大導(dǎo)數(shù)的方式表示，分別用、、表示相應(yīng)的坐標(biāo)系。所以(2.54)其中，Xv,Za,Mq等稱為大導(dǎo)數(shù)，氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩稱為小導(dǎo)數(shù)。該四階微分方程是分析系統(tǒng)性能的依據(jù)，系統(tǒng)的輸入為升降舵偏角和發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿位置，可以分別研究系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)（初始狀態(tài)不為零，輸入為零）和零狀態(tài)響應(yīng)（輸入不為零，初始狀態(tài)為零）。2.7縱向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)研究飛機(jī)的操縱問(wèn)題，即為升降舵偏角和油門(mén)桿位置對(duì)飛機(jī)速度、航跡角、和迎角的控制作用。為表述方便，首先建立傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的輸入為升降舵偏角和油門(mén)桿位置，輸出為，因此有六個(gè)傳遞函數(shù)關(guān)系?？v向線性化運(yùn)動(dòng)方程寫(xiě)成矩陣表示形式為p（2.55）式中，為偏航角速度等同于飛機(jī)機(jī)體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；為滾動(dòng)角速度與機(jī)體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相等；為側(cè)滑角大小等于偏航角與航跡方位角之差。為了方便，對(duì)于方程的右邊進(jìn)行簡(jiǎn)化表示?？紤]在飛機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)中，為保持飛機(jī)的基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)水平飛行，當(dāng)機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，必須滿足升力在垂直方向的分量等于飛機(jī)重力，從而在水平方向出現(xiàn)分力成為側(cè)力的一部分，水平側(cè)力為，線性化增量形式為，該力不能忽略。這樣方程可以表示為（2.56）式中，橫側(cè)運(yùn)動(dòng)的線性化方程是基于穩(wěn)定軸系建立的，第一個(gè)方程表示的是側(cè)向移動(dòng)速度，但是，在力和力矩的關(guān)系中，我們要使用側(cè)滑角來(lái)表示，因此如同在縱向運(yùn)動(dòng)中將垂直位移變?yōu)楹桔E角速度關(guān)系一樣，需要將側(cè)向位移用角度表示。由于側(cè)向速度滿足（2.57）則可以近似得到（2.58）設(shè)線性化是所選基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)工作點(diǎn)參數(shù)滿足如下要求：考慮到任意變量的基準(zhǔn)變量為零時(shí)，變量=增量的關(guān)系，因此氣動(dòng)側(cè)力的側(cè)力系數(shù)滿足（2.59）機(jī)體滾轉(zhuǎn)角速度和偏航角速度引起的側(cè)力一般可以忽略不計(jì)，因此（2.60）將前三個(gè)方程中的側(cè)力增量、滾動(dòng)力矩增量和偏航力矩增量加注上標(biāo)“s”表示是基于穩(wěn)定軸系的參數(shù)，即則橫測(cè)運(yùn)動(dòng)方程可以被改寫(xiě)為（2.61）方程第五式顯然是獨(dú)立的，因?yàn)槠浇桥c飛機(jī)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩?zé)o關(guān)。在飛行控制系統(tǒng)中，進(jìn)行偏航控制需要。但在這里進(jìn)行穩(wěn)定行研究并不需要，因此，橫測(cè)運(yùn)動(dòng)方程實(shí)際變?yōu)樗膫€(gè)。2.8縱向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)現(xiàn)在我們開(kāi)始研究飛機(jī)的操縱問(wèn)題，即為升降舵偏角和油門(mén)桿位置對(duì)飛機(jī)速度、航跡角和迎角的控制作用。為了表述方便，首先建立傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的輸入為升降舵偏角和油門(mén)桿位置，輸出為，因此總共有六個(gè)傳遞函數(shù)關(guān)系?？v向線性化運(yùn)動(dòng)方程寫(xiě)成矩陣表示形式（2.62）由克萊姆法則可得其中我們可以通過(guò)計(jì)算，得出：從前面知道為四次多項(xiàng)式，系數(shù)滿足通?？梢苑纸鉃閮蓚€(gè)二次多項(xiàng)式的乘積，即兩個(gè)典型的二階環(huán)節(jié)，它們的振蕩頻率和阻尼與系統(tǒng)的長(zhǎng)周期和短周期運(yùn)動(dòng)相關(guān)?；诖丝傻玫交蚴街?，為長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的阻尼比；為長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的固有頻率；為長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間常數(shù)；為短周期運(yùn)動(dòng)的阻尼比；為短周期運(yùn)動(dòng)的固有頻率；為短周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于二階多項(xiàng)式，通過(guò)因式分解可以表示為式中，為傳遞函數(shù)的傳遞系數(shù)。最后，我們可以得出傳遞函數(shù)為(2.63)某固定翼飛行器在垂直平面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)線性化的狀態(tài)空間模型為：x其中，x=x1x2x3x4x5，5個(gè)狀態(tài)量，x1為高度誤差，x2為前進(jìn)速度，x3為俯仰角，A=001.1320C=10由式（2.64）可得，以u(píng)2為輸入，以xG最終我們得出摸固定翼飛行器前進(jìn)速度傳遞函數(shù)為3模糊控制的介紹3.1模糊控制模糊控制是利用\t"/item/%E6%A8%A1%E7%B3%8A%E6%8E%A7%E5%88%B6/_blank"模糊數(shù)學(xué)的基本思想以及理論的控制方法，它是一門(mén)建立于人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的學(xué)問(wèn)。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制效果好壞的最主要關(guān)鍵。只要系統(tǒng)給定的動(dòng)態(tài)信息越是詳細(xì)精準(zhǔn)，就越能達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。然而，如果遇到更為復(fù)雜的\t"/item/%E6%A8%A1%E7%B3%8A%E6%8E%A7%E5%88%B6/_blank"系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的內(nèi)部變量存在過(guò)多，通常會(huì)難以用正確的描述去表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，也為此各路專家以及操作員們想盡了各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)描述，為了達(dá)成控制的目的可謂是不辭辛勞地進(jìn)行了一次又一次的實(shí)驗(yàn)與研究，但是卻一直達(dá)不到理想的目標(biāo)。換句話來(lái)說(shuō)就是，我們傳統(tǒng)的專家\t"/item/%E6%A8%A1%E7%B3%8A%E6%8E%A7%E5%88%B6/_blank"控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)而言，其具有強(qiáng)大而有力的控制能力，但是假設(shè)需要面對(duì)具有一定復(fù)雜性或者難以精確描述的系統(tǒng)時(shí)，這種傳統(tǒng)的控制方式就會(huì)顯得蒼白且無(wú)能為力。因此，如果能夠?qū)⒉僮鲉T的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)并且用精確的語(yǔ)言描述出來(lái)，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行一個(gè)精確的定義，我們便能得到一種定性的、具有不精確性的控制規(guī)則，這也就是模糊規(guī)則，也為此發(fā)展出了一門(mén)學(xué)科名為模糊數(shù)學(xué)。也因此，專家便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)這種新興學(xué)問(wèn)來(lái)處理這類新的控制問(wèn)題。那么，模糊控制究竟是什么，模糊控制器又該如何定義并且運(yùn)用呢？舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在飛行器執(zhí)行飛行任務(wù)的途中，顯然在遇到不同情況時(shí)所需要的空速是不同的。飛行員推動(dòng)油門(mén)桿的力越大，飛行器空速越高，這一點(diǎn)和我們平時(shí)駕駛汽車的原理是相同的。因此如何設(shè)計(jì)控制器，讓飛行員在使用合理的力、在合理的范圍內(nèi)推動(dòng)油門(mén)桿能夠有效地將空速增加至某一指定空速以便支持飛行器全程執(zhí)行任務(wù)，這便是模糊控制。模糊控制器便是充分運(yùn)用了這一原理，在接受了飛行員推動(dòng)油門(mén)桿的操作信號(hào)之后，通過(guò)外部模糊信號(hào)的轉(zhuǎn)化、隨后經(jīng)過(guò)處理，最終作用于飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)上，使得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)加快運(yùn)作，最后飛行器的空速增加，由此實(shí)現(xiàn)模糊控制整個(gè)流程。因而，我們需要了解、認(rèn)識(shí)、掌握模糊控制器，才能將其進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用和演算。模糊控制器是基于模糊集理論、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示，它模擬人的思維模式，是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種控制算法。模糊控制器包括四部分。第一部分，模糊化。首先我們選定模糊控制器的輸入量，并且將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別、可以運(yùn)算的模糊量。這其中具體包含了以下的幾步：第一步，我們需要對(duì)輸入量進(jìn)行滿足模糊控制需求的處理；第二步，需要對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換；第三步，需要確定各輸入量的模糊語(yǔ)言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。這三個(gè)步驟，將其概括在一起簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)將外界的模糊信號(hào)進(jìn)行定義和歸納，將其歸類進(jìn)某一個(gè)數(shù)學(xué)范疇之內(nèi)，以供下一步的分析和計(jì)算。第二部分，知識(shí)庫(kù)。模糊知識(shí)庫(kù)的建立需要以根據(jù)人類專家的經(jīng)驗(yàn)累計(jì)作為依據(jù)。在知識(shí)庫(kù)之中，其包含了人類從近代到當(dāng)代這幾十年對(duì)于模糊控制這一領(lǐng)域認(rèn)知的結(jié)晶。模糊知識(shí)庫(kù)，其包含了眾多有關(guān)模糊這一概念的控制規(guī)則，這也是將實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡，輸入至模糊控制器的關(guān)鍵步驟。這一步驟，簡(jiǎn)而言之便是調(diào)動(dòng)出模糊知識(shí)庫(kù)，也為隨后的演算和推理做下鋪墊。第三部分，模糊推理。我們需要使用一種擁有模糊控制器的特殊計(jì)算機(jī)，讓其通過(guò)特定的程序進(jìn)行演算。在這部分之中，計(jì)算機(jī)運(yùn)用了與人類較為類似的思考方式，并且基于模糊知識(shí)庫(kù)對(duì)事物進(jìn)行演算和推理，從而得出最終的計(jì)算結(jié)果。因此，這也是整個(gè)模糊控制循環(huán)中至關(guān)重要的一環(huán)，也是本篇論文所需要分析的關(guān)鍵部分。第四部分，去模糊化。這最后部分的主要作用，就是將推理所得到的控制量再次轉(zhuǎn)化為控制輸出，傳導(dǎo)至執(zhí)行部分并且對(duì)其進(jìn)行操作，至此整個(gè)模糊控制的流程便結(jié)束，計(jì)算機(jī)便也運(yùn)行了一次完整的模糊控制。模糊控制器的基本組成如圖3.1所示，它的核心部分是模糊推理和知識(shí)庫(kù)的確定。圖3.1模糊控制流程圖需要注意的是，這種模糊控制系統(tǒng)所擁有的模糊控制器與普通計(jì)算機(jī)的云計(jì)算有著大相徑庭的差別。如果將其相較于通常電腦所攜帶的云計(jì)算而言，擁有模糊控制器的計(jì)算機(jī)并不需要被控對(duì)象表達(dá)出一個(gè)十分精確的數(shù)學(xué)模型，也因此它可有效應(yīng)用于處理那些定義不完善、難以精確建模的復(fù)雜過(guò)程；同時(shí)，模糊控制的優(yōu)勢(shì)也十分明顯：由于這類計(jì)算器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此普遍性而言它們的響應(yīng)速度很快，也能夠快速滿足人們的期望。如下圖3.2所示為模糊控制的原理圖。給定值給定值+A/D計(jì)算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則模糊決策非模糊化處理D/A傳感器被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)-模糊控制器（微機(jī)）圖3.2模糊控制原理圖3.2.1建立模糊控制表在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制器輸出的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中也可類似仿效，將其劃分為單變量模糊控制系統(tǒng)和多變量模糊控制系統(tǒng)。在單變量模糊控制器中，包含了一維模糊控制器、二維模糊控制器，以及三維模糊控制器。一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的偏差量e。由于僅僅采用偏差值，很難反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是不能令人滿意的。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對(duì)象。三維模糊控制器的三個(gè)輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量e、偏差變化量ec和偏差變化的變化率ecc。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此除非對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，一般較少選用三維模糊控制器。相比較而言，二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差e和偏差變化ec，由于它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過(guò)程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維模糊控制器好得多，也不需要像三維模糊控制器那樣，擁有過(guò)于巨大的計(jì)算量，它也就成為了目前采用最為廣泛的一類模糊控制器。因此，通常而言我們會(huì)選擇二維模糊控制器作為控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。當(dāng)我們對(duì)于誤差e、誤差變化ec以及控制量u的模糊集和論域進(jìn)行確定了之后，我們需要通過(guò)模糊變量來(lái)確定其隸屬函數(shù)。通過(guò)對(duì)模糊變量進(jìn)行賦值，并依此確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊變量的隸屬度。隨后我們便可建立模糊控制規(guī)則。模糊規(guī)則可以用條件語(yǔ)句來(lái)規(guī)定，也就是if...then...這種基礎(chǔ)電腦系統(tǒng)的操作語(yǔ)言。由于我們選用的是二維模糊控制器，條件語(yǔ)句便以if...and...then...進(jìn)行表達(dá)。在這之中，由于誤差e、誤差變化ec以及控制量u是變化的，也因此它們對(duì)于不同的對(duì)象也有截然不同的賦值，當(dāng)然也就包含不同的意義。通過(guò)上述的準(zhǔn)備工作以后，就可以進(jìn)行模糊控制表的建立。由于有NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）七種不同模糊變量，將其一一進(jìn)行枚舉，我們便可以列出一個(gè)表格。這個(gè)表格總共包含了49條的模糊規(guī)則，每個(gè)模糊規(guī)則語(yǔ)句之間的關(guān)系用“或”來(lái)進(jìn)行排列，表示不同的事物都包含在這49條模糊規(guī)則之中。我們通過(guò)第一條語(yǔ)句所確定的模糊規(guī)則可以計(jì)算出控制量，以此類推，便可得、、、……以此類推，直至。而控制量U則代表了這些模糊控制量的集合，它包含了任何一種條件，因而我們便可用下列公式進(jìn)行表示，即為。這些控制規(guī)則可以通過(guò)表格的方式來(lái)具體展現(xiàn)，如圖3.3表示。圖3.3模糊規(guī)則表通過(guò)上述步驟，我們?cè)谥贫四：?guī)則表后，便可對(duì)于e、ec、u這三個(gè)模糊變量進(jìn)行取值。這里我們將誤差e取值為[-5，5]，誤差變化率ec的取值為[-10，10]，控制輸入u的范圍為[-30，+30]。在中間的部分有一個(gè)顯示為“Mamdani”的模塊，此模塊便是我們需要使用Mamdani推理法，將輸入信號(hào)進(jìn)行模糊推理，從而得到一個(gè)輸出結(jié)果。這49條模糊規(guī)則可以通過(guò)模糊響應(yīng)表來(lái)體現(xiàn)。隨后我們便可以輸入49條模糊控制規(guī)則，具體如下：IfeisNBandecisNBthenuisNBIfeisNBandecisNMthenuisNBIfeisNBandecisNSthenuisNMIfeisNBandecisZ0thenuisNMIfeisNBandecisPSthenuisNSIfeisNBandecisPMthenuisNSIfeisNBandecisPBthenuisZ0IfeisNMandecisNBthenuisNBIfeisNMandecisNMthenuisNMIfeisNMandecisNSthenuisNMIfeisNMandecisZ0thenuisNSIfeisNMandecisPSthenuisNSIfeisNMandecisPMthenuisZ0IfeisNMandecisPBthenuisPSIfeisNSandecisNBthenuisNMIfeisNSandecisNMthenuisNMIfeisNSandecisNSthenuisNSIfeisNSandecisZ0thenuisNSIfeisNSandecisPSthenuisZ0IfeisNSandecisPMthenuisPSIfeisNSandecisPBthenuisPSIfeisZ0andecisNBthenuisNMIfeisZ0andecisNMthenuisNSIfeisZ0andecisNSthenuisNSIfeisZ0andecisZ0thenuisZ0IfeisZ0andecisPSthenuisPSIfeisZ0andecisPMthenuisPSIfeisZ0andecisPBthenuisPMIfeisPSandecisNBthenuisNSIfeisPSandecisNMthenuisNSIfeisPSandecisNSthenuisZ0IfeisPSandecisZ0thenuisPSIfeisPSandecisPSthenuisPSIfeisPSandecisPMthenuisPMIfeisPSandecisPBthenuisPMIfeisPMandecisNBthenuisNSIfeisPMandecisNMthenuisZ0IfeisPMandecisNSthenuisPSIfeisPMandecisZ0thenuisPSIfeisPMandecisPSthenuisPMIfeisPMandecisPMthenuisPMIfeisPMandecisPBthenuisPBIfeisPBandecisNBthenuisZ0IfeisPBandecisNMthenuisPSIfeisPBandecisNSthenuisPSIfeisPBandecisZ0thenuisPMIfeisPBandecisPSthenuisPMIfeisPBandecisPMthenuisPBIfeisPBandecisPBthenuisPB這49條模糊規(guī)則的輸入截圖如圖3.8所示。在這些準(zhǔn)備工作完成了以后我們即可進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)仿真程序。我們可以通過(guò)MATLAB計(jì)算得出系統(tǒng)的輸入、輸出隸屬度函數(shù)，如下列圖3.5、圖3.6、圖3.7所示。圖3.5偏差隸屬度（e）函數(shù)圖3.6偏差變化率隸屬度（ec）函數(shù)圖3.7控制器輸出隸屬度（u）函數(shù)圖3.8部分49條模糊規(guī)則的輸入截圖至此我們則能得出一個(gè)初步的模糊控制器。4小型固定翼飛行器前進(jìn)速度模糊控制器設(shè)計(jì)大體思路模糊控制理論是對(duì)人類的推理過(guò)程進(jìn)行模仿，推導(dǎo)出一套機(jī)械化的富有經(jīng)驗(yàn)的控制理論，其適應(yīng)力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，并且不受控制對(duì)象數(shù)字模型干擾從而影響坐標(biāo)系的建立。模糊控制器的工作過(guò)程可粗略分為以下六步：第一步，模糊控制器可以對(duì)于系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；第二步，通過(guò)量化因子ke和kec，將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec量化為控制器的精準(zhǔn)輸入E和EC；第三步，E和EC通過(guò)模糊化接口，被轉(zhuǎn)化為模糊輸入A和B；第四步，將模糊輸入A和B根據(jù)規(guī)則庫(kù)蘊(yùn)含的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制輸出量C；第五步，對(duì)輸出量C進(jìn)行清晰化處理，得到控制器精確輸出量U；第六步，通過(guò)比例因子ku將精確輸出量U轉(zhuǎn)化為實(shí)際，最后作用于控制對(duì)象的控制量u。模糊控制一改專家控制的弊端，提出了規(guī)則庫(kù)的建立并且進(jìn)行模糊運(yùn)算，解決了傳統(tǒng)專家控制無(wú)法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)更改的缺點(diǎn)，并且通過(guò)輸入49條模糊規(guī)則進(jìn)行演算對(duì)模糊信號(hào)進(jìn)行處理。在這之中，所涉及到的最為重要的便是如何將模糊量轉(zhuǎn)換為一個(gè)精確的數(shù)值并且找到其所屬論域。我們已知有“PB”、“PM”、“PS”、“ZO”、“NS”、“NM”和“NB”這七個(gè)子集。他們分別代表著“正大PositiveBig”、“正中PositiveMedium”、“正小PositiveSmall”、“零Zero”、“負(fù)小NegativeSmall”、“負(fù)中NegativeMedium”、“負(fù)大NegativeBig”這七種不同的涵義。如果檔級(jí)多，規(guī)則細(xì)致；但規(guī)則多、復(fù)雜，編制程序困難，占用內(nèi)存較多；檔級(jí)少，規(guī)則少，規(guī)則實(shí)現(xiàn)方便；但過(guò)少的規(guī)則會(huì)使得控制作用變粗而達(dá)不到預(yù)期效果。因而在面對(duì)類似飛機(jī)這類需要嚴(yán)謹(jǐn)度和精確度的作業(yè)時(shí)，需要采用多檔級(jí)的方式進(jìn)行信號(hào)處理。我們主要的模糊化方法有多種，比如說(shuō)常見(jiàn)的模糊化方法就有分檔模糊集法、輸入點(diǎn)隸屬度取1法、單點(diǎn)形模糊集合法和隸屬度值法這四種。在這里我們先把這七個(gè)模糊子集通過(guò)隸屬度函數(shù)的方式進(jìn)行表達(dá)。4.1對(duì)于輸入變量進(jìn)行模糊化經(jīng)典的隸屬度函數(shù)有11種，即雙S形隸屬函數(shù)、聯(lián)合高斯型隸屬函數(shù)、高斯型隸屬函數(shù)、廣義鐘形隸屬函數(shù)、Ⅱ型隸屬函數(shù)、雙S形乘積隸屬函數(shù)、S狀隸屬函數(shù)、S形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角形隸屬函數(shù)以及Z形隸屬函數(shù)。在模糊控制中，運(yùn)用較多的隸屬度函數(shù)有高斯型隸屬函數(shù)、廣義鐘形隸屬函數(shù)、S形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角形隸屬函數(shù)以及Z形隸屬函數(shù)。在本論文中，我們所使用的模糊控制器的設(shè)計(jì)方式參照了“兩輸入一輸出”的方式，隸屬度函數(shù)則選用了高斯型隸屬度函數(shù)，因?yàn)槠錇閮蓞?shù)構(gòu)成，并且運(yùn)用范圍廣，而且十分切合本篇論文。隨后我們便可進(jìn)行下列步驟，對(duì)于輸入變量進(jìn)行模糊化處理。第一步為設(shè)定輸入輸出變量語(yǔ)言值的模糊子集，并且設(shè)置這些輸入輸出變量的論域。在這里，我們可以分別定義飛行器的前進(jìn)速度差（變化）為e，以及其變化率為ec,令輸出量為模糊控制器的參數(shù)為U。我們假設(shè)飛行器的最大前進(jìn)速度為±vmax，并且令其誤差的變化區(qū)間為[-emax，emax]，其中emax=vmax。在本篇論文中，我們對(duì)于飛行器前進(jìn)速度v所選取的誤差變化區(qū)間為E的模糊集為：{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}EC的模糊集為：{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}U的模糊集為：{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}E的論域?yàn)椋簕-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，5}EC的論域?yàn)椋簕-10，-9，-8，-7，-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3，4，5，6，7，8，9，10}由于模糊控制對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性比較高，需要能夠隨時(shí)根據(jù)變量數(shù)值的改動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的變換，因此我們需要權(quán)衡控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性，并據(jù)此根據(jù)變量從“PB”、“PM”、“PS”、“ZO”、“NS”、“NM”和“NB”這七個(gè)子集之中選取與之相符的子集。因此，需要對(duì)于這七個(gè)模糊子集進(jìn)行定義并且分別得出它們的隸屬度函數(shù)。通過(guò)上文對(duì)于不同變量的論域取值，我們可以得出各個(gè)模糊子集所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)，并且在軟件中我們可以直接通過(guò)取值來(lái)直觀地展現(xiàn)給大家看。因而，在通過(guò)上述的種種步驟后，我們最終對(duì)于不同的模糊變量進(jìn)行了量化，把與最大隸屬度值對(duì)應(yīng)的模糊集合作為模糊化處理的輸出，針對(duì)飛行器前進(jìn)速度信號(hào)的誤差變化率ec，我們也采用同樣的模糊方法進(jìn)行模糊化處理得到一個(gè)輸出。這些通過(guò)模糊化處理后所得到的輸出便被稱為模糊信號(hào)。有了它們就宣告著第一階段的結(jié)束，可以進(jìn)行下一步的模糊推理了。4.2模糊推理正如論文之前所提及的，模糊推理是模糊控制的核心，它是整個(gè)步驟中最為重要的一步，是模糊控制中不可小覷的一環(huán)。我們通過(guò)模糊規(guī)則的算法可以得出一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，在得出這個(gè)運(yùn)算結(jié)果之后，仍然需要經(jīng)過(guò)兩種模糊語(yǔ)句的計(jì)算才能在最后得出結(jié)論。我們將含有模糊概念的語(yǔ)法規(guī)則所構(gòu)成的語(yǔ)句稱為模糊語(yǔ)句。根據(jù)其語(yǔ)義和構(gòu)成語(yǔ)法規(guī)則的不同，我們可以將其分為模糊陳述句、模糊判斷句和模糊推理句這三種。我們常用的模糊推理語(yǔ)句有兩種，即IfAthenBelseC和IfAandBthenC。由于我們對(duì)于飛行器的模糊控制需要運(yùn)用到兩種變量，即速度以及速度率，并且需要達(dá)成同時(shí)滿足的條件，才可對(duì)于輸入信號(hào)進(jìn)行處理得出最終的輸出信號(hào)，因而我們的模糊語(yǔ)句需要寫(xiě)為IfAandBthenC。在確定了模糊語(yǔ)句以后，我們便可以將其構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的兩輸入單輸出模糊控制器。這個(gè)模糊控制器可以用下列圖片4.1表示：圖4.1兩輸入單輸出模糊控制器其中，A，B，C分別為論域U上的模糊集合，A為誤差信號(hào)上的模糊子集（即前進(jìn)速度差的模糊子集），B為誤差變化率上的模糊子集（即前進(jìn)速度變化率的模糊子集），C為控制器輸出上的模糊子集。常見(jiàn)的模糊推理有兩種方法，分別為Zadeh法以及Mamdani法。其中Mamdani推理法是模糊控制中普遍使用的一種方法，其本質(zhì)是一種合成推理方法。模糊推理語(yǔ)句“IfAandBthenC”蘊(yùn)含的關(guān)系為“A∧B→C”，根據(jù)Mamdani模糊推理方法，A∈U，B∈U，C∈U為三元模糊關(guān)系，其關(guān)系矩陣R為式子中，為模糊關(guān)系矩陣構(gòu)成的列向量，T1為列向量變換，n和m分別為A和B論域元素的個(gè)數(shù)。隨后，基于Mamdami模糊推理方法，根據(jù)模糊關(guān)系R，可求得給定輸入和對(duì)應(yīng)的輸出，即式子中，為模糊關(guān)系矩陣構(gòu)成的行向量，T2為行向量變換。在上述的式子中，均為模糊乘積運(yùn)算，均為模糊合成運(yùn)算。通過(guò)模糊推理可獲得模糊子集為“PB”、“PM”、“PS”、“Z0”、“NS”、“NM”和“NB”。4.3輸出量的精確化首先，選取增量為Δe=δmax×5%、Δe我們可以使用兩種比較常見(jiàn)的精確方法，能夠使得推理得到的模糊值轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)值。這兩種方法的適用性廣泛，也因此成為了這次精確化的最優(yōu)解。第一種是最大隸屬度法。通過(guò)將推理得到的模糊子集，選取其中從屬度最大的論域元素的平均值作為最終輸出，這樣便可以得到一個(gè)比較準(zhǔn)確、精確的答案。第二種便是重心法。具體操作就是將推理得到的模糊子集，選取其隸屬函數(shù)并且將其與橫坐標(biāo)所圍面積的重心所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)論域元素作為精確化結(jié)果。在得到推理結(jié)果精確值之后，便可根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系得到最終的輸出。4.4模糊控制規(guī)則的確定控制規(guī)則的確定需要基本的語(yǔ)言變量作為基礎(chǔ)。這也是控制器中不可或缺的一部分。在模糊輸入信號(hào)被傳輸?shù)娇刂破髦校绾芜\(yùn)行、怎樣運(yùn)行，都需要通過(guò)模糊控制規(guī)則進(jìn)行判定。因此，模糊控制規(guī)則的確定是整個(gè)模糊控制器的核心步驟。其規(guī)則的詳細(xì)與否、準(zhǔn)確與否都會(huì)對(duì)模糊控制產(chǎn)生質(zhì)的變化。因此，這也是判定模糊控制器設(shè)計(jì)得成功與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在本論文中，通過(guò)上述內(nèi)容