三自由度双旋翼直升机飞行姿态的控制方法研究与实现

摘要

三自由度直升机具有复杂的动力学特性和多变的飞行状态，其动力学特性随着飞行高度和飞行姿态而发生相应的变化，且具有非线性、多变量耦合等特点，通常难以用精确的数学模型来描述。通过对直升机系统进行建模、设计、仿真与实验，可以推动和加深控制理论和技术在复杂控制系统中的应用。
　　本文以固高公司研制的三自由度直升机模型为控制对象，该系统作为一个实验装置，具有形象直观，结构简单的特点。作为被控对象，是一个复杂的多输入多输出系统，只有采用行之有效的控制方法才能使之稳定。本文主要是对其控制方法进行了研究，主要内容如下:
　　(1)首先分析介绍了系统的组成和特点，并且分三个自由度对系统建立数学模型，推出系统的状态方程，对系统模型的具体性能进行分析。
　　(2)研究了传统控制方法主要是PID控制和LQR(1 inear quadratic regulator最优控制在MATLAB下的实现，并对两种方法进行MATLAB下的仿真。
　　(3)结合模糊控制的理论知识和基本原理，设计了模糊控制器，并进行MATLAB下的仿真。
　　(4)结合现有神经网络控制理论知识，研究和分析神经网络控制结构和算法。设计PID神经网络控制器，进行了MATLAB下仿真控制。
　　(5)对本课题进行分析总结，分析该课题研究过程中的不足，并对后继工作进行展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究的概况

1．3 本文研究的主要内容

第2章 三自由度直升机系统简介

2．1 三自由度直升机系统的硬件构成

2．2 三自由度直升机运动轴数学模型

2．2．1 俯仰轴模型

2．2．2 横侧轴模型

2．2．3 旋转轴模型

2．2．4 系统模型的状态方程

2．3 三自由度直升机系统分析

2．4 本章小结

第3章 基于传统控制理论的三自由度直升机控制器设计

3．1 PID控制

3．1．1 典型PID控制器

3．1．2 三个自由度控制器设计

3．2 最优控制

3．2．1 LQR最优调节器原理

3．2．2 系统LQR控制器设计

3．2．3 系统LQR控制器仿真

3．3 本章小结

第4章 模糊控制在三自由度直升机中的应用

4．1 模糊控制的基本原理

4．2 模糊控制器的类型

4．3 模糊控制器的一般设计步骤

4．4 三自由度直升机模糊控制器的设计

4．4．1 精确量的模糊化过程

4．4．2 确定语言变量论域上的模糊子集

4．4．3 模糊规则的确定

4．5 系统耦合性分析及模糊控制仿真

4．5．1 三自由度直升机系统的耦合性

4．5．2 解耦控制的方法

4．5．3 三自由度直升机系统模糊控制仿真

4．6 本章小结

第5章 三自由度直升机模型神经网络控制

5．1 神经网络控制的基本原理

5．2 PID神经网络控制器的结构及算法

5．2．1 单变量控制系统结构及算法

5．2．2 多变量PID神经网络的结构及算法

5．3 PID神经网络控制器的设计

5．4 PID神经网络权值初值的选取

5．5 三自由度飞行器模型的控制仿真

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢