三自由度直升机系统的显式模型预测控制实验研究

摘要

直升机比较突出的特点是可以定点悬停，小面积垂直起降，因此在军用和民用方面有着广泛的用途。研究直升机飞行系统具有非常重要的现实意义，但由于直升机系统是一个典型的多输入多输出系统，并且具有强耦合、非线性等特性，因此直升机飞行系统的研究颇具挑战。
　　针对现今直升机飞行控制器设计方面遇到的问题，本文将显式模型预测控制(EMPC)算法应用到三自由度直升机的飞行控制。之前显式模型预测控制的研究大多局限在数值仿真层面，本文在数值仿真的基础上，通过硬件在回路实验(HIL)验证了算法的有效性，丰富了显式模型预测控制的应用。
　　本文的主要工作如下:
　　1.详细介绍了三自由度直升机系统的结构及主要组成部分。在此基础上，分别分析了理想情况下三自由度直升机三个轴处于稳定飞行位置时的动力学方程，建立了直升机系统的数学模型。线性化模型后得到系统的状态空间模型。
　　2.针对常规飞行控制器不能有效处理状态约束、输入输出约束以及操作延时等问题，本文提出三自由度直升机的预测控制。但由于传统的预测控制需要反复在线优化，计算量大，不适用于规模较大或动态变化较快的系统，所以本文采用显式预测控制算法。通过引入多参数二次规划，显式预测控制算法将反复在线优化问题离线化。在线计算也简化为简单的查表过程。本文详细介绍了显式模型预测控制的原理并结合数值实例展示了离线计算分区的过程，其中在线计算的几种方法也做了详细的介绍。
　　3.姿态控制器设计和数值仿真。设计姿态调节控制器和跟踪控制器，并进行数值仿真。控制器设计详细讲述了控制参数的设置和选取，以及参数对离线计算、控制效果的影响。跟踪的数值仿真研究了跟踪不同类型信号的跟踪效果，包括矩形波信号和正弦波信号。
　　4.硬件在回路实验。数值仿真的基础上，通过硬件在回路实验对理论进行进一步验证。实验根据设计好的控制器分别对三自由度直升机进行姿态调节和跟踪。跟踪部分分别跟踪矩形波信号和正弦波信号，为分析显式模型预测控制的控制效果，引入PID控制进行对比。直升机在飞行中常会受到各种干扰的影响，因此控制器的抗干扰就成为衡量控制器优良的重要指标。为考察显式模型预测控制的抗干扰性，论文分两方面研究了飞行控制器的抗干扰性:首先，调节稳定后，通过添加外界手动干扰和ADS(Active Disturbance System)干扰系统来验证控制器对突发干扰和持续干扰的抗干扰性;其次，跟踪正弦波时，通过开启ADS加以验证。
　　5.总结了全文的工作并展望了将来可以开展的工作方向和研究目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 三自由度直升机国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 三自由度直升机系统的结构和建模

2．1 三自由度直升机系统的结构和工作原理

2．1．1 三自由度直升机本体

2．1．2 数据采集卡及功率放大器

2．1．3 控制主机

2．2 三自由度直升机动力学建模

2．3 小结

第3章 显式模型预测控制

3．1 传统模型预测控制

3．1．1 预测控制应用现状

3．1．2 预测控制复杂度简化

3．2 显式模型预测控制

3．2．1 多参数二次规划

3．2．2 离线计算

3．2．3 在线计算

3．3 小结

第4章 三自由度直升机EMPC控制器设计及数值仿真

4．1 EMPc调节控制器

4．1．1 Simulink结构

4．1．2 数值仿真

4．2 EMPC跟踪控制器

4．2．1 Simulink结构

4．2．2 数值仿真／跟踪矩形波

4．2．3 数值仿真／跟踪正弦波

4．3 小结

第5章 三自由度直升机EMPC硬件在回路(HIL)实验

5．1 半实物仿真

5．2 调节实验

5．3 跟踪实验

5．3．1 跟踪矩形波

5．3．2 跟踪正弦波

5．4 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果