三自由度直升机实验系统控制策略的研究

论文摘要

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状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。至今,国内外有许多学者和研究人员一直在提高其控制性能方面进行着不懈的研究。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。因此,研究直升机的控制理论方法与控制器的设计具有很强的实际意义。本文以固高公司出品的三自由度直升机实验系统为控制对象,针对直升机自身复杂性等特点,对三自由度直升机模型进行了系统分析。通过系统数学模型的建立,分析出该系统具有耦合的特性,针对耦合特性,设计常规PID控制器与对角解耦矩阵配合对被控对象进行控制。考虑到系统被控对象参数不确定的因素,以及PID控制器不能很好适应参数时变的被控对象等因素,设计模糊控制器对被控对象进行控制,该方法克服了常规PID控制器的不足,控制效果比较理想。同时,利用PID控制器与模糊控制器两者在控制上各自的优点,设计了模糊与PID混合加权控制对被控对象进行控制的控制器。该控制器突出了PID控制器的控制平滑特性与模糊控制器的自适应性,比较好的实现了三自由度直升机实验系统的姿态控制。该直升机实验系统应用的GT-400-SV PCI运动控制卡可以方便的控制螺旋桨的速度,及时返回实际运动参数,从而达到控制直升机飞行姿态的目的。利用该控制卡的功能,针对控制系统不能良好的实现缓慢停止这个动作的问题,在仔细分析了系统的结构并对系统硬件进行研究之后,通过MATLAB模块的搭建,从硬件运动方面改进了停止动作,实现了缓停控制,运动效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 三自由度直升机实验系统简介
• 2.1 三自由度直升机的系统构成
• 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
• 2.3 三自由度直升机系统控制器
• 2.3.1 俯仰轴控制器
• 2.3.2 横侧轴控制器
• 2.3.3 旋转轴控制器
• 2.3.4 电机控制量的输出
• 2.4 MATLAB/RTW实时控制软件
• 2.4.1 MATLAB实时控制软件的特点
• 2.4.2 MATLAB实时控制软件包括的组件
• 2.4.3 GT-400-SV BLOCK LIBRARY说明
• 2.4.4 三自由度直升机系统MATLAB实时控制工具箱的使用
• 2.5 本章小结
• 第三章 三自由度直升机系统的特性分析
• 3.1 三自由度直升机系统控制结构的分析
• 3.2 三自由度直升机系统特性分析
• 3.3 常用多变量解耦控制方法
• 3.4 对角矩阵法在三自由度直升机系统中的应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 三自由度直升机系统PID控制器设计
• 4.1 PID控制器的原理
• 4.2 三自由度直升机系统PID控制器的设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 三自由度直升机系统模糊控制器设计
• 5.1 模糊控制器的设计原理
• 5.1.1 模糊控制的基本原理
• 5.1.2 模糊控制器的一般设计步骤
• 5.2 三自由度直升机模糊控制器的设计
• 5.2.1 精确量的模糊化过程
• 5.2.2 确定语言变量论域上的模糊子集
• 5.3 模糊控制的控制模型结构及控制效果
• 5.4 本章小结
• 第六章 三自由度直升机系统模糊与PID混合加权控制器的设计
• 6.1 模糊与PID阈值切换控制控制原理
• 6.2 模糊与PID混合加权控制器的设计及控制效果
• 6.3 本章小结
• 第七章 三自由度直升机缓停控制
• 7.1 三自由度直升机的停止
• 7.2 三自由度直升机缓停控制的设计
• 7.2.1 三自由度直升机减速阶段的设计
• 7.2.2 三自由度直升机下降阶段的设计
• 7.2.3 三自由度直升机缓慢停止控制界面的综合设计
• 7.2.4 三自由度直升机缓慢停止控制效果
• 7.3 本章小结
• 第八章 结束语
• 参考文献
• 致谢