三自由度直升機系統(tǒng)的顯式模型預測控制實驗研究.pdf

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

2、通過硬件在回路實驗(HIL)驗證了算法的有效性，豐富了顯式模型預測控制的應用。
　　本文的主要工作如下:
　　1.詳細介紹了三自由度直升機系統(tǒng)的結構及主要組成部分。在此基礎上，分別分析了理想情況下三自由度直升機三個軸處于穩(wěn)定飛行位置時的動力學方程，建立了直升機系統(tǒng)的數(shù)學模型。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等問題，本文提出三自由度直升機的預測

3、控制。但由于傳統(tǒng)的預測控制需要反復在線優(yōu)化，計算量大，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測控制算法。通過引入多參數(shù)二次規(guī)劃，顯式預測控制算法將反復在線優(yōu)化問題離線化。在線計算也簡化為簡單的查表過程。本文詳細介紹了顯式模型預測控制的原理并結合數(shù)值實例展示了離線計算分區(qū)的過程，其中在線計算的幾種方法也做了詳細的介紹。
　　3.姿態(tài)控制器設計和數(shù)值仿真。設計姿態(tài)調(diào)節(jié)控制器和跟蹤控制器，并進行數(shù)值仿真。控制器設計詳細

4、講述了控制參數(shù)的設置和選取，以及參數(shù)對離線計算、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.硬件在回路實驗。數(shù)值仿真的基礎上，通過硬件在回路實驗對理論進行進一步驗證。實驗根據(jù)設計好的控制器分別對三自由度直升機進行姿態(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，為分析顯式模型預測控制的控制效果，引入PID控制進行對比。直升機在飛行中常會受到各種干擾的影響，因此控制器的