四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究

作     者：杨晟萱 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庄严

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：四旋翼飞行器 串级PID控制 自抗扰控制 

摘      要：四旋翼飞行器是一种非共轴式碟形飞行器,由于其结构简单、机动性能好、制造成本低廉,被广泛应用于监视、侦察等民用和军用领域。为保证四旋翼飞行器能有效完成指定任务,控制系统的设计就显得尤为重要。本文采用串级PID控制和自抗扰控制两种方法对四旋翼飞行器控制问题进行了研究。 本文在分析四旋翼飞行器工作原理和动力学特性的基础上,基于牛顿-欧拉方程建立其动力学模型,并在MATLAB/Simulink环境下构建四旋翼飞行器控制系统仿真平台。针对四旋翼飞行器系统的非线性、欠驱动、强耦合、不确定性的特点,首先采用不依赖对象模型的PID控制技术设计了四旋翼飞行器控制系统。其姿态控制采用串级PID控制器,其中主回路对姿态角的角度进行控制,副回路对角速度进行控制。对该控制方法进行了仿真实验,并在自主研发的四旋翼飞行器Smart-QR平台上进行实际实验,仿真实验和实际实验的结果都验证了串级PID控制系统的有效性。但由于在实际飞行过程中飞行器参数和外部环境会经常发生变化,串级PID控制器经常需要重新整定参数以达到理想控制效果。 针对飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的四旋翼飞行器控制系统设计方法。在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器,对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性和外部干扰的影响;为抑制跟踪误差,设计了非线性状态误差反馈控制律。在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量分析。仿真结果表明,自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统受到的内、外部干扰,具有极强的抗扰性,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强豹鲁棒性,满足飞行器姿态快速机动和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器。