三自由度直升機(jī)模型姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、自第一架雙翼飛機(jī)“飛行者”完成人類(lèi)歷史上第一次駕機(jī)動(dòng)力飛行之日起，人們對(duì)于天空的追逐就從沒(méi)有停止過(guò)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與快速發(fā)展，人們對(duì)飛行器的要求也不再僅僅局限于能夠上天而已，飛行器的實(shí)時(shí)控制也開(kāi)始被越來(lái)越多的提上日程。
　　直升機(jī)模型裝置是研究飛行器實(shí)時(shí)控制的良好載體，在自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)被國(guó)內(nèi)外科研人員廣泛認(rèn)同，其物理模型具有很大的典型性，這在控制科學(xué)與控制理論的實(shí)際教學(xué)與科研中也是為數(shù)不多的。本文所研究的對(duì)象就是加拿大著名

2、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備生產(chǎn)制造商——Quanser公司設(shè)計(jì)研發(fā)的三自由度直升機(jī)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以它為課題的控制對(duì)象，展開(kāi)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模和各類(lèi)控制器設(shè)計(jì)工作。
　　通過(guò)對(duì)于三自由度直升機(jī)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體分析，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)它具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量、多輸入多輸出等特點(diǎn)，這就給研究工作制造了較高難度。最終選定了控制理論中的經(jīng)典方法PID控制方法和新型最優(yōu)控制理論中的線性二次型調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator，LQR)

3、方法設(shè)計(jì)控制器，并在后續(xù)深入了解直升機(jī)特性后引入了多模型切換思想，建立了多模型LQR控制器。
　　在設(shè)計(jì)控制器的過(guò)程中，首先對(duì)直升機(jī)模型的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了深入剖析分解，根據(jù)其物理特性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)后續(xù)設(shè)計(jì)控制器的不同需求進(jìn)行了修改，如針對(duì)PID控制器對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行近似化和線性化;針對(duì)LQR控制器設(shè)計(jì)要求將三組運(yùn)動(dòng)微分方程改寫(xiě)為狀態(tài)空間方程;針對(duì)多模型LQR控制器將數(shù)學(xué)模型以高度角和俯仰角兩個(gè)角度為變量建立多模型集合等等。之后運(yùn)

4、用Matlab搭建仿真對(duì)所設(shè)計(jì)的各類(lèi)控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別運(yùn)用控制器對(duì)階躍信號(hào)、正弦信號(hào)和階梯方波信號(hào)進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)直升機(jī)高度角、俯仰角和旋轉(zhuǎn)角的跟蹤準(zhǔn)確性、快速性以及超調(diào)量大小等控制指標(biāo)，直接地度量控制器控制效果的好壞，并直觀地對(duì)比各類(lèi)控制器的控制效果。在得到滿(mǎn)意的控制效果后，將控制效果最優(yōu)的多模型LQR控制器應(yīng)用于直升機(jī)實(shí)物模型之上，運(yùn)用Matlab中的實(shí)時(shí)工作空間(Real-Time Workshop，RTW)和Quan