无人机多模态控制律的设计及仿真验证

摘要

航空电子系统是无人机重要的机载子系统，其性能与可靠性直接影响无人机系统的任务性能和战场生存能力。飞行仿真模块是支撑航电系统综合仿真的一个重要功能模块，对于辅助现代航电系统设计与测试具有重要的价值。本论文面向某无人机航电系统综合仿真的实际要求，完成了多模态控制律设计的需求分析、无人机动力学和运动学模型的线性化处理、典型飞行控制模态常规控制律的设计、姿态控制鲁棒性增强设计、以及控制律的综合测试与验证等工作。具体的研究内容包括以下几个方面：
　　首先，结合某无人机航空电子系统的综合仿真需要和飞行仿真软件的开发需求，完成了无人机多模态控制律的设计需求分析，采用模块化设计思想，完成了总体方案设计，并给出了研究的技术路线。
　　然后，依据六自由度方程组，建立无人机的运动学和动力学非线性模型。为了便于控制律的设计，运用小扰动的方法将模型进行了线性化处理。在线性模型基础上，完成常规PID控制器的分析和设计，并对无人机俯仰姿态控制和滚转姿态控制进行了仿真，结果表明所设计的控制律在一定程度上能够满足工程需要。
　　接着，分析PID控制律存在的一些性能不足，例如，导致闭环系统响应速度慢，抗干扰能力不强，对模型参数不确定性不具备良好适应性等问题。在线性模型的基础上，设计了鲁棒 H∞控制器，并与 PID控制器进行比较。结果表明，在存在外部干扰和系统模型不确定性的情况下，鲁棒控制能达到更好的控制效果。
　　最后，由于无人机本身的模型是非线性的，需要在非线性的模型上验证所设计的控制律的有效性。在Matlab环境下运用常规PID控制方法，对无人机各个飞行模态进行了仿真测试验证。结果表明，设计的控制律能够保证无人机完成爬升、平飞、转弯和下滑等飞行任务，实现无人机的多模态控制飞行仿真，为航电系统的仿真试验提供了强有力的支撑。
　　论文的结尾总结了本文所做的工作，指出了论文研究中存在的一些问题，并对鲁棒控制在非线性环境下的应用提出了一些展望。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文目录安排

第二章 无人机动力学建模及线性化

2.1 无人机动力学建模

2.2 无人机非线性模型线性化

2.3 本章小结

第三章 无人机常规PID控制器设计

3.1 典型无人机控制回路介绍

3.2 纵向控制

3.3 横侧向控制

3.4 PID控制原理

3.5 PID控制器的设计

3.6 本章小结

第四章 基于鲁棒控制理论的H∞控制器设计

4.1 鲁棒控制概念

4.2 H∞控制理论

4.3 H∞标准设计问题

4.4 基于LMI的H∞控制

4.5 H∞控制器设计

4.6 本章小结

第五章 无人机多模态飞行控制律的综合测试

5.1 Matlab/Simulink环境下非线性仿真结构设计

5.2 无人机纵向控制

5.3 无人机横侧向控制

5.4 模型联调仿真验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作及贡献

6.2 不足之处与后续工作展望

6.3 本章小结

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果