كنترل بهينه زاويه اوج هواپيما با استفاده از PID و كنترل مد لغزشي مبتني بر الگوريتم PSO

Optimal Control of an Aircraft Pitch Angle using PID and Sliding Mode Control Based on PSO Algorithm

مدل سازي و كنترل هواپيماي بدون سرنشين بي شك يكي از حوزه هاي فعال در مهندسي كنترل به شمار مي آيد. با توجه به ديناميك غيرخطي، متغير با زمان و عدم قطعيت هاي ساختاري و پارامتري اجسام پرنده، مسئله كنترل پرواز در طراحي اجسام پرنده موضوعي نسبتا پيچيده و مهم محسوب مي شود. يكي از پركاربردترين روش هاي كنترلي مقاوم در اين حوزه، روش كنترل مد لغزشي مي باشد. از اين رو در اين مقاله، طراحي، شبيه سازي و تحليل دو كنترل كننده، PID و مد لغزشي جهت كنترل بهينه زاويه اوج يك هواپيماي بدون سرنشين ارائه شده است. در ابتدا به منظور مدل سازي ديناميكي مدل رياضي مناسبي جهت توصيف حركت طولي هواپيما ارائه شده است، در ادامه، يك كنترل كننده مد لغزشي مقاوم بر مبناي الگوريتم بهينه سازي ازدحام ذرات به منظور كنترل زاويه اوج هواپيما در حضور نامعيني ها و اغتشاشات خارجي طراحي شده است، آن چنان كه پارامترهاي بهينه با هدف به حداقل رساندن سيگنال كنترلي و خطاي رديابي تعيين مي شوند. سپس، كيفيت عملكرد روش پيشنهادي با نتايج حاصل از كنترل كننده بهينه PID از نظر مشخصات پاسخ گذرا مقايسه شده است در نهايت، نتايج شبيه سازي نشان دادند كه كنترل كننده مدل لغزشي پيشنهادي ضمن كاهش ميزان فراجهش پاسخ سامانه، رفتار مقاوم تري نسبت به كنترل كننده PID جهت كنترل زاويه اوج هواپيما دارد.

Modeling and control of Unmanned Aerial Vehicle is undoubtedly one of the most active areas in the field of control engineering. The characteristics of aerial vehicles such as nonlinear dynamics, time variability and the structural and parametric uncertainties make flight control issue relatively a complex and important subject in their design. One of the widely used methods in this area is sliding mode control technique. This paper proposes the design, the simulation, and the analysis of two controllers namely PID and sliding mode in order to optimally control the pitch angle of an unmanned aircraft. Initially, in order to dynamically model the system, an appropriate mathematical model is presented to describe the longitudinal motion of aircraft. Subsequently, a robust sliding mode controller is designed using particle swarm optimization (PSO) algorithm to control the pitch angle of an aircraft against the uncertainties and the external disturbances. The optimal parameters are determined by minimizing both the control signal and tracking error. Then, the performance quality of the proposed method was compared with the results of the optimal PID controller in terms of transient response characteristics. Finally, simulation results indicated that the proposed sliding mode controller can reduce the overshoot of system response and yield more robust performance than PID for the control of pitch angle.