3-DOF直升机和磁悬浮球系统的全程滑模变结构控制研究

论文摘要

直升机以其直接起飞、着落、实现多方向旋转等特性,近年来在航空航天、社会发展中受到了越来越多的关注,我国疆域辽阔,对军用和民用直升机的需求数量也必将越来越大。然而随着直升机飞行任务的不断复杂化,直升机飞行速度低、机动性不高、易受干扰等缺点也慢慢暴露出来。为提高直升机的生存能力,适应未来高度复杂任务的需要,现代直升机系统除了要具备快速性、稳定性、可靠性等特点外,还需要具有更强的鲁棒性。另一方面,随着航天事业的发展,模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。磁悬浮技术因与受力体无接触,消除了摩擦阻力和速度限制等方面的问题。但是由于磁悬浮系统本身是一个非线性、本质不稳定的系统,因此在控制策略上需要采用非线性鲁棒反馈控制方法。传统的线性控制方法虽然具有可调控制器增益、消除控制系统偏差、增强系统稳定性的功能,但是由于它是建立在小扰动线性化和参数不变的基础上,往往在建模时忽略了非线性和耦合的影响,因此必然存在着模型不精确、控制器对外干扰和参数变化敏感的缺点。要想克服传统控制方法的缺陷,除了在建模时要充分考虑到非线性因素的影响外,还需要选择一种具有鲁棒性能的控制策略。而全程滑模变结构控制继承了传统滑模变结构控制的一系列优点,对系统参数不确定性和外部干扰具有全程鲁棒性。鉴于此,本文采用全程滑动模态变结构控制设计直升机和磁悬浮球系统的控制器。本文首先介绍了Quanser公司3-DOF直升机系统的软硬件结构图,分析了系统的动力学特性,建立了三个自由度的数学模型,经过进一步分析,简化了系统模型,最终建立了一个七维的状态空间方程,为设计系统控制器做好了铺垫。然后,结合全程滑动模态变结构控制和趋近律方法,设计了直升机系统的反馈控制,采用Matlab和Wincon软件对系统进行实时控制。仿真结果表明,全程滑模变结构控制器使3-DOF直升机模型系统具有很好的静态和动态特性,对参数不确定性和外干扰具有很强的鲁棒性。最后针对单自由度磁悬浮球这类典型的非线性、不稳定系统设计了全程滑模变结构控制器,并结合趋近律控制系统到达滑模面的速度和抖振,作了相关的仿真和实验。实时实验表明该方法动态响应速度较快,并且对外干扰具有较强的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 直升飞机的分类
• 1.2 国内外直升飞机的发展历史及研究现状
• 1.3 直升飞机的控制方法
• 1.4 磁悬浮技术的发展历史及现状
• 1.5 变结构控制概述
• 1.5.1 变结构控制系统的发展历程
• 1.5.2 变结构控制的研究现状
• 1.5.3 变结构控制的基本问题
• 1.5.4 抖振问题及其削弱策略
• 1.6 本文的主要研究工作及意义
• 第二章 全程滑动模态变结构控制
• 2.1 问题的描述
• 2.2 全程滑模变结构切换平面的设计
• 2.2.1 初值条件
• 2.2.2 终值条件
• 2.2.3 可导条件
• 2.3 全程滑动模态滑动超平面滑动模态参数设计
• 2.3.1 滑动模态参数矩阵C的设计
• i的设计'>2.3.2 滑动模态移动参数β_i的设计
• 2.4 全程滑动模态系统的滑动模态分析
• 2.4.1 滑动模态的存在条件
• 2.4.2 全程滑动模态运动的稳定性
• 2.5 全程滑动模态变结构控制律的设计
• 第三章 3-DOF直升机系统的原理结构与模型分析
• 3.1 直升机系统的原理结构
• 3.1.1 直升飞机机械系统
• 3.1.2 直升飞机电动系统
• 3.1.3 软件组成
• 3.2 系统建模
• 3.2.1 俯仰轴
• 3.2.2 横侧轴
• 3.2.3 旋转轴
• 3.2.4 模型修正
• 3.2.5 不确定性及干扰
• 3.3 模型分析
• 3.3.1 稳定性
• 3.3.2 能控性
• 第四章 基于全程滑模变结构的直升机系统的性能分析
• 4.1 直升机的软件构架
• 4.2 切换平面与控制器的设计
• 4.2.1 切换平面的设计
• 4.2.2 变结构控制器的设计
• 4.3 仿真性能分析
• 4.3.1 无干扰条件下的直升机轨迹的调节控制
• 4.3.2 加入干扰条件下的直升机轨迹的调节控制
• 4.3.3 无干扰条件下的直升机轨迹跟踪控制
• 第五章 单自由度磁悬浮球系统的全程滑模变结构控制
• 5.1 磁悬浮球系统的组成及工作原理
• 5.1.1 磁悬浮球系统的组成
• 5.1.2 磁悬浮球系统的工作原理
• 5.2 磁悬浮球系统的数学模型
• 5.2.1 磁悬浮球系统的建模
• 5.2.2 基于平衡点的线性化
• 5.3 系统控制器的设计
• 5.3.1 LQR控制器的设计
• 5.3.2 全程滑模控制器的设计
• 5.3.3 抖振问题
• 5.4 仿真与实验
• 5.4.1 仿真
• 5.4.2 实验
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表