基于PID小波神经网络的弹性飞行器减振与姿态控制

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针对大长径比导弹中明显的弹性振动问题,本文从弹性体导弹的弹性振动特性、结构弹性对导弹控制系统的影响以及如何主动抑制弹性振动以保证姿态跟踪进行了探索研究。弹性体导弹的弹性特征如振动幅值较大与衰减时间长等,极大干扰着导弹控制系统的传感器测量,使导弹结构弹性与控制系统的伺服弹性现象突出,若在控制器设计时忽略这种耦合影响,会造成导弹姿态跟踪难以达到预期,严重时甚至无法实现稳定的控制。因此,有必要对弹性体导弹展开弹性振动及其振动抑制方法的研究。本文通过采用简化的带有尾部推力的欧拉均匀梁来模拟弹性体导弹,采用弯曲振动理论推导出梁的振动方程,再根据该振动方程通过分离变量法求取弹性体导弹的横向振动模型,结合短周期纵向扰动运动刚体模型,建立了弹性体导弹的综合线性化模型。基于上述综合模型,对导弹的振动特性进行了分析,同时对导弹控制系统的稳定性展开了理论研究和仿真分析,结果表明,弹性振动对导弹控制系统的稳定控制具有一定影响,而推力的增加会使得控制趋于发散。为此,有必要设计控制器抑制弹性体导弹的振动。对上述振动控制需求,本文提出了一种PIDWNN(PID小波神经网络)自适应控制方法,该控制方法由经典PID控制和小波神经网络组成,经典PID控制器直接对被控对象进行闭环控制,而小波神经网络由于结合了小波分析良好的时频局部化特性,且具备神经网络的自学习功能,可根据导弹运动响应,对PID控制器参数进行快速在线调整和更新,即使有大振动干扰时,控制器仍能够及时减弱或消除振动影响,保持控制性能最优。从仿真结果来看,该方法既保证了导弹飞行姿态的精确跟踪,又抑制了弹性振动带来的不稳定影响,有效克服了结构弹性和控制系统的耦合。文章最后对该控制方法进行了鲁棒性研究,直观地展现出该控制方法能承受的弹性体导弹模型的不确定性范围,说明PID小波神经网络控制方法在处理实际复杂的不确定飞行环境时弹性体导弹振动问题的有效性。
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