三自由度直升機(jī)系統(tǒng)的顯式模型預(yù)測控制實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、直升機(jī)比較突出的特點(diǎn)是可以定點(diǎn)懸停，小面積垂直起降，因此在軍用和民用方面有著廣泛的用途。研究直升機(jī)飛行系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，但由于直升機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的多輸入多輸出系統(tǒng)，并且具有強(qiáng)耦合、非線性等特性，因此直升機(jī)飛行系統(tǒng)的研究頗具挑戰(zhàn)。
　　針對現(xiàn)今直升機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)方面遇到的問題，本文將顯式模型預(yù)測控制(EMPC)算法應(yīng)用到三自由度直升機(jī)的飛行控制。之前顯式模型預(yù)測控制的研究大多局限在數(shù)值仿真層面，本文在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，

2、通過硬件在回路實(shí)驗(yàn)(HIL)驗(yàn)證了算法的有效性，豐富了顯式模型預(yù)測控制的應(yīng)用。
　　本文的主要工作如下:
　　1.詳細(xì)介紹了三自由度直升機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要組成部分。在此基礎(chǔ)上，分別分析了理想情況下三自由度直升機(jī)三個(gè)軸處于穩(wěn)定飛行位置時(shí)的動力學(xué)方程，建立了直升機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。線性化模型后得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。
　　2.針對常規(guī)飛行控制器不能有效處理狀態(tài)約束、輸入輸出約束以及操作延時(shí)等問題，本文提出三自由度直升機(jī)的預(yù)測

3、控制。但由于傳統(tǒng)的預(yù)測控制需要反復(fù)在線優(yōu)化，計(jì)算量大，不適用于規(guī)模較大或動態(tài)變化較快的系統(tǒng)，所以本文采用顯式預(yù)測控制算法。通過引入多參數(shù)二次規(guī)劃，顯式預(yù)測控制算法將反復(fù)在線優(yōu)化問題離線化。在線計(jì)算也簡化為簡單的查表過程。本文詳細(xì)介紹了顯式模型預(yù)測控制的原理并結(jié)合數(shù)值實(shí)例展示了離線計(jì)算分區(qū)的過程，其中在線計(jì)算的幾種方法也做了詳細(xì)的介紹。
　　3.姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真。設(shè)計(jì)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制器和跟蹤控制器，并進(jìn)行數(shù)值仿真?？刂破髟O(shè)計(jì)詳細(xì)

4、講述了控制參數(shù)的設(shè)置和選取，以及參數(shù)對離線計(jì)算、控制效果的影響。跟蹤的數(shù)值仿真研究了跟蹤不同類型信號的跟蹤效果，包括矩形波信號和正弦波信號。
　　4.硬件在回路實(shí)驗(yàn)。數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，通過硬件在回路實(shí)驗(yàn)對理論進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制器分別對三自由度直升機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤。跟蹤部分分別跟蹤矩形波信號和正弦波信號，為分析顯式模型預(yù)測控制的控制效果，引入PID控制進(jìn)行對比。直升機(jī)在飛行中常會受到各種干擾的影響，因此控制器的