三自由度直升机系统稳定控制策略

摘要

随着现代科学技术的飞速发展，控制理论及技术越来越重要，控制技术广泛应用于冶金、石化、食品、制药、航空航天及军事系统等领域。为了进一步加深对控制理论和技术的研究，并使其与实际相结合，本课题利用本实验室已有的试验教学设备：三自由度直升机系统(简称直升机系统)进行研究。 本文首先分析了直升机的组成，建立了系统的数学模型，并对系统进行了有效的分析，通过分析得知系统是开环不稳定的：完全能控、能观的。 其次，应用PID控制和带有LQR控制器的最优控制系统在基于MATLAB环境下对直升机系统进行了仿真试验。仿真结果表明PID控制虽能跟踪期望的输入，但存在超调，且鲁棒性不太好；LQR控制器的不足是加权矩阵Q、R的值与系统响应性能之间的关系是定性的，不能一次得到满意的结果，需要多次调整它们的值才能得到满意的系统响应性能。 因此，本文提出将常规模糊滑模变结构控制策略和自适应模糊滑模变结构控制策略应用于直升机控制系统。常规模糊滑模控制的模糊控制器的输入是滑模面s和s，控制器的输出是滑模控制量u，在满足滑动模态存在条件ss<0的前提下设计了49条模糊控制规则，对直升机系统进行了仿真，并在系统参数摄动30％和外加干扰的情况下让其与PID控制进行了比较，仿真结果表明当系统参数摄动时，PID控制的超调量和调整时间加大，而模糊滑模控制仍然具有无超调、无静差、快速性不变的动静态性能；外加干扰时PID控制的响应存在抖动，而模糊滑模控制的响应无变化。由此可知模糊滑模控制具有对系统自身参数摄动和外部扰动无关的特性，比PID控制具有更好的鲁棒稳定性。本文采用模糊自适应调节趋近律ε的滑模控制对直升机系统进行仿真，仿真结果表明采用模糊控制调节指数趋近律ε，可保证趋近速度在离切换面远时大，运动点向切换面运动的速度大；在切换面附近时渐近于很小的速度，从而使到达段的品质得以提高，即保证了快速性又削弱了抖振，使系统具有较强的鲁棒稳定性。 然后，利用直升机控制工具包提供的模块在SIMULINK和实时工具箱RTW(Real-time Workshop)环境下建立了PID控制系统和模糊滑模变结构控制系统的实时仿真模型，实现了直升机姿态的稳定控制，试验结果表明模糊滑模变结构控制比PID控制的稳态误差小、控制精度高、抗干扰能力强，鲁棒稳定性好。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源

1.2研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4本文研究的主要内容

第2章直升机系统简介及系统建模

2.1直升机系统的组成及工作原理

2.1.1.直升机系统试验本体

2.1.2三自由度直升机电控箱

2.1.3控制平台

2.2系统建模

2.2.1俯仰轴的数学模型

2.2.2横侧轴的数学模型

2.2.3旋转轴的数学模型

2.3系统的状态方程

2.4系统参数

2.5系统分析

2.5.1稳定性

2.5.2可控性和可观性

2.6本章小节

第3章直升机系统传统控制方法研究

3.1 PID控制

3.1.1俯仰轴PID控制器的设计

3.1.2横侧轴PID控制器的设计

3.1.3旋转轴PID控制器的设计

3.2 LQR控制

3.2.1直升机系统LQR控制器的设计

3.3本章小结

第4章直升机系统的模糊滑模变结构控制

4.1滑模变结构控制基本原理

4.2模糊控制基本原理

4.3模糊滑模变结构控制的概述

4.3.1常规模糊滑模控制器的设计

4.3.2基于模糊自适应调节的滑模控制

4.4直升机系统模糊滑模控制器的设计

4.4.1直升机系统常规模糊滑模控制策略的设计

4.4.2直升机系统自适应模糊滑模控制策略的设计

4.5本章小结

第5章基于SIMULINK环境下的实时控制试验

5.1 Simulink的概念及其工作原理

5.2基于Simulink和RTW的实时控制

5.3直升机系统的实时控制试验

5.3.1基于PID的实时控制系统

5.3.2基于模糊滑模变结构的实时控制系统

5.4试验结果分析

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录A试验数据

个人简历在读期间发表的学术论文