基于精确反馈线性化的三自由度直升机控制系统研究

作     者：周唯 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓东

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人直升机 三自由度 系统辨识 PID LQR 精确反馈线性化 仿真技术 

摘      要：当前,无人机的研究和应用已经成为了热点,其中的无人直升机控制技术是无人直升机系统研制的一个重要方面,也是核心技术。优秀的控制算法是无人直升机企业的核心技术,可以为企业带来丰厚的利益。但是现在消费级无人直升机市场的火热,屡屡会有无人直升机摔机,甚至是伤人事件发生。这使得无人直升机的稳定运行受到了关注,而使得无人机稳定的运行必须在建模和控制两个方面着手。本文的研究重点是无人直升机建模和控制技术的研究,研究的平台是三自由度直升机实验平台,旨在研究一种针对高度非线性和强耦合的仿射系统的建模、线性化和解耦控制算法。论文的主要研究工作如下:(1)采用拉格朗日方法和牛顿第二定律对三自由度直升机进行系统建模和系统辨识考察系统特性。首先对三自由度直升机的机械结构和电气结构进行了详细的建模,得到了具有仿射非线性特性的系统动力学方程。利用M序列对高度轴和俯仰轴进行了线性系统辨识实验,得到了系统的线性程度,佐证了三自由直升机系统的非线性和强耦合性。(2)采用基于传统SISO系统的PID控制器设计方法设计了针对具有MIMO、强耦合特征的三自由度直升机的位置控制器。首先针对高度轴和俯仰轴设计了多变量的PD解耦控制器,设计了旋转轴和俯仰轴之间的串级PD控制器。实验结果表明,系统位置响应达到了基本的控制目的,但是存在着系统参数难调、系统响应慢、系统鲁棒性差、系统耦合特性差等问题,致使系统存在“掉高现象。(3)采用LQR输出跟踪控制器设计了三自由度直升的位置跟踪控制器。首先对三自由度直升机的仿射系统在平衡点处进行线性化处理,根据LQR输出跟踪控制器的控制率,求解系统的黎卡提方程,得到实际系统的控制率。实验过程表明,系统的位置响应加快,参数调节方便,但是解耦特性差,系统仍然存在“掉高现象。(4)提出基于精确反馈线性化方法对三自由度直升机仿射系统进行解耦和线性化。首先利用精确反馈线性化对仿射系统在大范围进行系统的解耦和线性化。再利用LQR方法和PD方法对大范围条件下的线性模型进行位置控制器设计。实验结果表明,控制系统的位置响应迅速,参数调节方便,系统的解耦彻底,“掉高现象彻底得到解决。(5)编写了基于三自由度直升机控制算法的仿真软件。根据本文对三自由度直升机的研究过程中出现的PID控制算法、LQR跟踪控制算法、精确反馈线性化算法设计了基于MATLAB的控制器设计仿真软件。在实际的系统参数调整过程中,此软件的仿真结果可以直接在设备上使用。本文围绕三自由度直升机的位置控制,比较了单独使用PID解耦控制和LQR跟踪控制器这两种控制方法的优劣,提出了精确反馈线性化方法,出色的完成了三自由度直升系统在大范围下的解耦和线性化工作,弥补了前两种方法的不足。本文针对三自由度直升系统提出的精确反馈线性化方法和控制算法的仿真技术对其他无人直升机的控制和仿真具有借鉴意义。