کنترل بهینه زاویه اوج هواپیما با استفاده از PID و کنترل مد لغزشی مبتنی بر الگوریتم PSO

نوع مقاله: گرایش دینامیک،ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 موسسه آموزش عالی احرار رشت

2 دانشگاه گیلان

3 باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران

چکیده

مدل­سازی و کنترل هواپیمای بدون سرنشین بی­شک یکی از حوزه­های فعال در مهندسی کنترل به­شمار می­آید. با توجه به دینامیک غیرخطی، متغیر با زمان و عدم قطعیت­های ساختاری و پارامتری اجسام پرنده، مسئله کنترل پرواز در طراحی اجسام پرنده موضوعی نسبتا پیچیده و مهم محسوب می­شود. یکی از پرکاربردترین روش­های کنترلی مقاوم در این حوزه، روش کنترل مد لغزشی می­باشد. از این­رو در این مقاله، طراحی، شبیه­سازی و تحلیل دو کنترل­کننده، PID و مد لغزشی جهت کنترل بهینه زاویه اوج یک هواپیمای بدون سرنشین ارائه شده است. در ابتدا به­منظور مدل­سازی دینامیکی مدل ریاضی مناسبی جهت توصیف حرکت طولی هواپیما ارائه شده است، در ادامه، یک    کنترل­کننده مد لغزشی مقاوم بر مبنای الگوریتم بهینه­سازی ازدحام ذرات به­منظور کنترل زاویه اوج هواپیما در حضور نامعینی­ها و اغتشاشات خارجی طراحی شده است، آن­چنان­که پارامترهای بهینه با هدف به حداقل رساندن سیگنال کنترلی و خطای ردیابی تعیین می­شوند. سپس، کیفیت عملکرد روش پیشنهادی با نتایج حاصل از کنترل­کننده بهینه PID از نظر مشخصات پاسخ گذرا مقایسه شده است در نهایت، نتایج   شبیه­سازی نشان دادند که کنترل‌کننده مدل لغزشی پیشنهادی ضمن کاهش میزان فراجهش پاسخ سامانه، رفتار مقاوم­تری نسبت به کنترل‌کننده PID جهت کنترل زاویه اوج هواپیما دارد.

کلیدواژه‌ها


  1.  Nelson, R. C. “Flight Stability and Automatic Control”, WCB/McGraw Hill, New York, 1998.##
  2. Redling, T. J. “Integrated Flight Control Systems: a New Paradigm for an Old Art” Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE. Vol. 16, No. 5, pp. 17-22, 2001.##
  3. Stojiljkovic, B., Vasov, L., Mitrovic, C., and Cvetkovic, D. “The Application of the Root Locus Method for the Design of Pitch Controller of an F-104A Aircraft”, Strojniški vestnik, Vol. 5, No. 9, pp. 555-60, 2009.##
  4. Boskoski, P., Mileva, B., and Deskoski S. “Auto Landing Using Fuzzy Logic”, 6th International PhD Workshop on Systems and Control, Izola, Slovenia, 2005.##
  5. Choe, D., Lee, Y., and Cho, S. “Nonlinear Pitch Autopilot Design with Local Lines Linear System Analysis”, Proc. Int. Conf. Automatic Control and Systems Engineering, Cario, Egypt, 2005.[M1] [U2] ##
  6. Robert, E. A. “Reconfiguration Sscheme for Flight Control Adaptation to Fixed Position Actuator Failures”, PhD Dissertation, University of Florida, 2003.##
  7. Xie, Z. Y. and Xia, M. Fu. “Robust Trajectory Tracking Method for UAV Using Nonlinear Dynamic Inversion”, Proc. IEEE 5th Int. Conf.  Cybern. Intell. Syst, Qingdao, China, 2011.[M3] [U4] ##
  8. Reiner, J., Balas, G. J., and Garrard W. L. “Flight Control Design Using Robust Dynamic Inversion and Time-Scale Separation”, J.  Automatica. Vol. 32, No. 11, pp. 1493-1504, 1996.##
  9. Xu, H., Mirmirani, M. D., and Ioannou, P. A. “Adaptive Sliding Mode Control Design for a Hypersonic Flight Vehicle”, J. Guid. Control Dynam. Vol. 27, No. 5, pp. 829-838, 2004.[M5] [U6] ##
10. Ashari, A. E., and Khaloozadeh, H. “Substitute Sliding-Mode Controller Design for Aircraft Control”, Proc. IEEE Int. Conf of Industrial Technology, Mumbai, India, 2006.[M7] [U8] ##
11. Ure, N. K. and Inalhan, G. “Design of Higher Order Sliding Mode Control Laws for a Multi Modal Agile Maneuvering UCAV”, Proc. IEEE Int. Conf  ofSystems and Control in Aerospace and Astronautics, Shenzhen, China, 2008.[M9] [U10] ##
12. Hao, C., Beiji, Z., Haoyu, Z. and Lili, P. “SlidingMode Controller Design for an Aircraft Pitch Rate Track System”, Proc. IEEE Int. Conf of Networking, Sensing and Control, Hainan, China, 2008.[M11] [U12] ##
13. Promtun, E., and Seshagiri, S. “Sliding Mode Control of Pitch-Rate of an F-16 Aircraft”, J. Aerospace and Mecanical Engineering. Vol.3, No. 9,  pp. 1108-1114, 2009.[M13] [U14] ##
14. Bahrami, M., Ebrahimi, B. and Roshanian, J. “Dynamic Sliding Mode Autopilot for Nonlinear Non-Minimum Phases Flight Vehicle”, Trans. Jpn. Soc. Aeronaut. Space Sci. Vol. 51, No. 174,  pp. 236–243, 2009.[M15] [U16] ##
15. Luo, X. Y., Guan, X. P. “Chattering Reduction Adaptive Sliding-Mode Control for Nonlinear Time-Delay systems”, Control and Decision. Vol. 24, No. 9, pp. 1429–143, 2009.##
16. Zhang, L., Su, Y., and Liang, Y. “HPSO-Based Fuzzy Neural Network Control for AUV”, J. Control Theory and Applications. Vol. 6, No. 3, pp. 322–326, 2008.##
17. Pan, L. X., Wang, L. L. “Robust Control Based on Feedback Linearization for Roll Stabilizing of Autonomous Underwater Vehicle Under Wave Disturbances”, J. China Ocean Engineering. Vol. 25, No. 2, pp. 251–263, 2011.##
18. Jiang and M. Kamel. “Pitch Control of an Aircraft with Aggregated Reinforcement Learning Algorithms”; Proc. Int. Conf. Neural Networks, USA, 2007.##
19. Manocha, A. and Sharma A. “Three Axis Aircraft Autopilot Control Using Genetic Algorithms: An Experimental Study”; Proc. IEE Int. Conf, Advanced Computing, Patiala, India, 2009.##
20. Chugh, V. and Ohri, J. “GA Tuned LQR and PID Controller for Aircraft Pitch Control”; Proc. IEE  Int. Conf., Power Electronics (IICPE, India, 2014.##
21. Somakumar, R., and Chandrasechar, J. “Neural Network Based Nonlinear Inverse Dynamics for Flight Controller Design”, Proc. IEE Int. Conf of Control Applications, Trieste, Italy, 1998.[M17] [U18] ##
22. Moon, G., and Kim, Y. “Variable Structure Control with Optimized Sliding Surface for Aircraft Control System”, IAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Providence, Rhode Island, USA, 2004.##
23. Pazooki, A., Tag, A., and Izadjoo, R. “ Control of Pitch Angle Using Fuzzy and PD Controllers”; Proc. Int. Conf. Electrical Eng. Iran, 2011, (In Pesian).##
24. Ting, E., and Ayoubi, M. A. “Optimized Fuzzy-Proportional/Integral/Derivative Controller for Aircraft Pitch Control”, Int. J. Aerospace Systems, Vol. 10, No. 8, pp. 414-429, 2013.##
25. Kennedy, J., and Eberhart, R. C. “Particle Swarm Optimization”, in Proc of the 1995 IEEE ICEC, IEEE Publ., Piscataway, NJ, pp. 1942-1948, 1995.##
26. Eberhart, R. C., and Kennedy, J. “A NewOptimizer Using Particle Swarm Theory”, in Proc of the Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science, IEEE Publ., Piscataway, pp. 39-43, 1995.##
27. Samanta, B., and Nataraj, C. “Design of Intelligent Ship Autopilots Using Particle Swarm Optimization”, in Proc of the Swarm Intelligence Symposium, IEEE Publ., Piscataway, pp. 1-7, 2008.##
28. Yu, G. R., Huang, J. W., and Chen, Y. H., “Optimal Fuzzy Control of Piezoelectric Systems Based on Hybird Taguchi Method and Particle Swarm Optimization”; Proc. Int. Conf. Systems, Man, and Cybernetics, IEEE Publ., Piscataway, 2009.##
29. Omizegba, E. E., and Adebay, G. E. “Optimizing Fuzzy Membership Functions Using Particle Swarm Algorithm”, Proc. IEEE Int. Conf. Systems, Man, and Cybernetics, IEEE Publ., Piscataway, 2009.##
30. Ayoubi, M. A., and Ting, E. “Optimized Fuzzy Proportional/Integral/Derivative Controller for Aircraft Pitch Control”, J. Aerospace Information Systems. Vol. 10, No. 8, pp. 411–429, 2013.##
31. Sangchul, L., Kwangjin, K., and Youdan, K. “A Sliding Mode Control with Optimized Sliding Surface for Aircraft Pitch Axis Control System”, Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. Vol. 55, No. 2, pp. 94–98, 2012.##
32. Welong, S. “Model Reference Adaptive Integral-type Sliding Mode Control Design for Class of Uncertain Systems”; Proc. Conf. Intelligent Control and Automation, IEEE Publ, Vol. 150, No. 8, pp. 383–388, China, 2006.##
33. Costin, E. “Integral Sliding-Mode Control With Applications to Aircraft Dynamics”, Applied Mechanics and Materials”, Vol. 245, No. 8, pp. 340-345, 2013.##
34. Mirmirani, Xu. H. and Ioannou, P. A. “Adaptive Sliding Mode Control Design for a Hypersonic Flight Vehicle”, Guid. Control Dynam. Vol. 27, No. 8, pp. 829–838, 2004.##
35. Lingling, W., Huali, W., Lili, Y., and Junwei, L. “A Simple Sliding Mode Control for Saucer-Shaped Aircraft”, Proc. Int. Conf.  Machinery, Materials and Computing Technology (ICMMCT), Beijing, China, 2017.[M19] [U20] ##
36. Jamoussi, K., Chrifi-Alaoui, L., Benderradji, H., E Hajjaji, A., and Ouali, M. “Robust Sliding Mode Control Using Adaptive Switching Gain for Induction Motors”, J. Automation and Computing. Vol. 10, No. 4, pp. 303–311, 2013.##
Degaki, T., and Suzuki, S. “Sliding Mode Control Application for Two- Dimensional Active Flutter Suppression”, Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. Vol. 43, No. 2, pp. 175-181, 2001.##