三自由度直升機模型姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、自第一架雙翼飛機“飛行者”完成人類歷史上第一次駕機動力飛行之日起，人們對于天空的追逐就從沒有停止過。隨著科學技術的不斷進步與快速發(fā)展，人們對飛行器的要求也不再僅僅局限于能夠上天而已，飛行器的實時控制也開始被越來越多的提上日程。
　　直升機模型裝置是研究飛行器實時控制的良好載體，在自動控制領域內(nèi)被國內(nèi)外科研人員廣泛認同，其物理模型具有很大的典型性，這在控制科學與控制理論的實際教學與科研中也是為數(shù)不多的。本文所研究的對象就是加拿大著名

2、運動控制設備生產(chǎn)制造商——Quanser公司設計研發(fā)的三自由度直升機模型實驗系統(tǒng)，以它為課題的控制對象，展開系統(tǒng)數(shù)學建模和各類控制器設計工作。
　　通過對于三自由度直升機模型實驗系統(tǒng)的總體分析，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)它具有非線性、強耦合、多變量、多輸入多輸出等特點，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、方法設計控制器，并在后續(xù)深入了解直升機特性后引入了多模型切換思想，建立了多模型LQR控制器。
　　在設計控制器的過程中，首先對直升機模型的硬件系統(tǒng)進行了深入剖析分解，根據(jù)其物理特性進行數(shù)學建模，并根據(jù)后續(xù)設計控制器的不同需求進行了修改，如針對PID控制器對數(shù)學模型進行近似化和線性化;針對LQR控制器設計要求將三組運動微分方程改寫為狀態(tài)空間方程;針對多模型LQR控制器將數(shù)學模型以高度角和俯仰角兩個角度為變量建立多模型集合等等。之后運

4、用Matlab搭建仿真對所設計的各類控制器進行仿真實驗，分別運用控制器對階躍信號、正弦信號和階梯方波信號進行了跟蹤實驗，并通過直升機高度角、俯仰角和旋轉角的跟蹤準確性、快速性以及超調(diào)量大小等控制指標，直接地度量控制器控制效果的好壞，并直觀地對比各類控制器的控制效果。在得到滿意的控制效果后，將控制效果最優(yōu)的多模型LQR控制器應用于直升機實物模型之上，運用Matlab中的實時工作空間(Real-Time Workshop，RTW)和Quan