智能蚁群算法在燃气舵控制系统的应用研究

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作为制导弹箭推力矢量装置的一种方式,燃气舵具有结构简单、推力损失小、动态响应速度快等优点,可以大幅提高导弹的机动性。燃气舵舵片在喷流流场中偏转产生控制力和控制力矩,改变弹体姿态,其核心部分为控制系统控制执行机构使舵片偏转。本文针对无刷直流电机本身存在非线性和时变性,较难实现高精度控制等难点问题,围绕燃气舵控制系统及其控制器开展研究,开展了基于蚁群算法参数寻优的PID控制研究,主要工作内容及研究成果如下:(1)分析了无刷直流电机的结构组成和工作原理。针对无刷直流电机的结构组成和工作原理进行详细的分析。根据所选伺服舵机建立无刷直流电机各部分的数学模型,并根据所推导出的传递函数在仿真平台建立起控制系统的动态仿真模型。(2)设计了控制系统的控制器,对蚁群算法关键参数进行研究并改进了控制器。为实现舵片偏转的高精度控制,本文针对PID控制器采用智能蚁群算法进行参数寻优,对蚁群算法进行原理性分析,根据仿真确定基于蚁群算法参数寻优PID控制器的控制效果。由于目前没有完善的理论支持如何合理地选取蚁群算法的关键参数,本文针对基本蚁群算法控制器的效果对关键参数进行了研究分析,设计改进自适应蚁群算法,提升算法和控制器的性能。(3)基于嵌入式设计了一套以STM32F103VET6芯片为主控芯片的舵控系统控制板。针对无刷直流电机的控制分别设计电源模块、串口通信模块、驱动模块等部分并进行介绍说明。根据所设计的控制算法对下位机进行编程,实现控制器的应用。(4)燃气舵舵偏实验系统设计及实验研究。采用了五分量应变天平作为燃气舵的传动机构,对比仿真所得升力理论值和测量值,验证了可行性,为获得燃气舵气动力载荷提供了一种解决办法。分别将经典整定方法整定的PID控制器和基于蚁群算法参数寻优的PID控制器应用于无刷直流电机的控制系统,对燃气舵控制系统进行舵偏角实验,验证控制器的性能。根据实验数据表明,在阶跃信号输入下,基于自适应蚁群算法参数寻优的PID控制器的上升时间缩短了0.41s,调节时间缩短了0.77s,且不产生超调量,具有更好的控制效果,可以有效地提高燃气舵舵片角度控制性能。
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