垂直起降无人机基于粒子群优化的分数阶控制

摘要

近年来，垂直起降无人机的发展速度非常快，以其费用低、轻便灵活、末端侦查能力强等优势，在学术和应用研究等范围内备受关注。正是因为这些优点，垂直起降无人机在民用和军事领域拥有极其广阔的发展和应用前景，也因此受到世界各国的广泛关注。垂直起降无人机紧随时代发展要求，其飞行控制问题已逐步成为无人机家族新的研究热点。 本论文深入研究基于分数阶理论的垂直起降无人机控制策略，同时对垂直起降无人机系统进行数学建模与系统分析，并且基于分数阶理论、级联系统理论等方法，对垂直起降无人机的飞行控制问题进行研究。研究的主要内容如下： 本论文第三章的研究对象是垂直起降无人机系统，将垂直起降无人机飞行控制系统具体划分成两个子系统，可以有效降低由两个控制器之间的耦合特性所带来的一系列控制难度。通过这种细分法，可以将繁琐的控制问题研究转换成解决两个简单的子系统的控制问题。此外，本论文提出了一种新的分数阶反馈控制律，通过跟踪参考信号，该控制律能实现系统的稳定控制，并利用仿真的形式说明该控制律控制性能优良。 本论文第四章基于分数阶理论和级联系统理论研究，并在分数阶反馈控制研究成果基础之上，设计出一种简单的分数阶控制律。该控制律也能在跟踪参考信号下，实现无人机系统的稳定控制，使用粒子群算法优化控制律中的参数，并比较最小能量控制律，以仿真的形式显示两种控制律的优缺点。 本论文第五章以空间中的无人机飞行模型为例，综合以上两项内容设计出分数阶滑模控制律，并利用级联系统理论进行稳定性分析，在参数整定中使用粒子群优化算法。本论文利用Matlab仿真软件，对两个控制器进行数字仿真操作，就仿真结果进行分析，从而验证本论文所提出的关于分数阶滑模控制律的有效性和可靠性。

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专用术语注释表

第一章绪论

1.1研究背景介绍

1.1.1无人驾驶飞机的特点

1.1.2国内外无人机的发展现况

1.1.3无人机控制器设计回顾

1.2本文研究内容

第二章相关背景知识介绍

2.1分数阶微积分理论

图2.3 分数阶微积分的思想

2.1.1分数阶微积分的定义

2.1.2分数阶微分的拉普拉斯变换

下面我们将分数阶微分进行拉普拉斯变换，得到下式：

2.1.3分数阶系统的稳定性理论

，

被称为稳定的，当且仅当

2.2级联系统

2.3粒子群优化算法

2.4本章小结

第三章基于时变学习因子pso的无人机分数阶反馈控制

3.1问题描述

3.2无人机模型的建立

3.3控制律设计

3.4稳定性分析

3.5时变学习因子的粒子群优化算法

3.6仿真结果

3.7本章小结

第四章基于线性权重递减pso的无人机分数阶控制

4.1问题描述

4.2无人机模型的建立

4.3分数阶控制律设计

4.4稳定性分析

4.5线性权重递减的粒子群优化算法

4.6最少能量控制

4.7参仿结果

4.8本章小结

第五章基于带有收缩因子pso的无人机分数阶滑模控制

5.1分数阶滑模控制

5.2问题描述

5.3飞行模型的建立

5.4控制律设计

5.5稳定性分析

5.6带有收缩因子的粒子群优化算法

5.7仿真结果

5.8本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录1 程序清单

附录2 攻读硕士学位期间撰写的专利

致谢