四旋翼直升机控制问题研究

论文摘要

与其他类型的飞行器相比,四旋翼直升机在实现静态飞行上具有明显的优势,无论是在无人监视还是在研究和营救应用中都有应用前景。然而,由于四旋翼直升机存在的耦合特性和模型不确定性,使其控制变的复杂,这也就使得对其控制器设计的研究变得非常必要,因此,近年来,人们对四旋翼直升机控制系统的研究兴趣不断增长。本文针对四旋翼直升机的鲁棒控制进行了研究。经典频域设计理论能够解决系统的鲁棒性问题,却不能很好的应用于多输入多输出系统,因此,本文选用了H_∞回路成形法来设计控制器。H_∞回路成形法的优势是能够将经典频域设计理论的鲁棒性优点和现代控制理论状态空间方法适于多输入多输出系统的优点融合在一起,能够适用于四旋翼直升机的控制。具体的研究思路如下:首先,本文对四旋翼直升机按照动力学方程进行了非线性建模,为便于回路成形控制器的设计又对模型进行了线性化;在Simulink中搭建了非线性模型和仿真控制系统,通过仿真验证了所设计的回路成形控制器具有很好的控制效果。其次,为了进行相关实验,设计并调试了基于ADuC842单片机的无刷直流电机驱动电路板。最后,构建了实时仿真试验平台;反馈信号从加在控制对象上的传感器获得,通过PCI1711信号采集板卡上面的A/D数据采集卡采集数据后,由计算机串口送到Matlab中的Simulink仿真模块中。实时控制算法仿真模型经过对采集数据的计算与处理后,输出的控制量通过PCI1711信号采集板卡上面的D/A口传送到执行器即ADuC842驱动板上,然后经过驱动板来控制电机的转速,进而达到控制四旋翼直升机的目的,从而实现了完整的控制对象实时仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究概况
• 1.1.1 历史及研究现状
• ∞回路成形理论概述'>1.1.2 H_∞回路成形理论概述
• 1.2 动力学特性及研究意义
• 1.2.1 动力学特性
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 系统建模及理论基础
• 2.1 四旋翼直升机建模
• 2.1.1 非线性模型的建立
• 2.1.2 模型线性化
• 2.2 模型的不确定性
• 2.2.1 不确定性的描述
• 2.2.2 鲁棒性准则
• 2.2.3 求解控制器步骤
• ∞回路成形法设计控制器'>2.3 H_∞回路成形法设计控制器
• ∞回路成形法综述'>2.3.1 H_∞回路成形法综述
• ∞回路成形法设计流程'>2.3.2 H_∞回路成形法设计流程
• 2.3.3 回路成形权函数的选择
• 2.4 性能要求与评价方法
• 2.4.1 性能要求
• 2.4.2 评价方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制器设计
• 3.1 仿真模型及控制要求
• ∞回路成形控制器的设计'>3.2 H_∞回路成形控制器的设计
• 3.2.1 回路成形控制器
• 3.2.2 控制器降阶
• 3.2.3 降阶后的控制效果
• 3.3 本章小结
• 第4章 电机驱动电路的设计
• 4.1 器件选择
• 4.2 过零点检测的基本原理
• 4.2.1 电机工作原理及数学模型
• 4.2.2 反电动势过零点检测的原理
• 4.3 硬件电路的设计
• 4.3.1 ADuC842 主控电路设计
• 4.3.2 逻辑合成及缓冲电路设计
• 4.3.3 转子位置检测电路设计
• 4.3.4 功率开关管电路设计
• 4.4 电机驱动程序设计
• 4.4.1 主程序设计
• 4.4.2 起动程序设计
• 4.4.3 转速给定程序设计
• 4.4.4 转子相位判断程序设计
• 4.4.5 电机换相程序设计
• 4.4.6 中断服务程序设计
• 4.5 调试结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 试验平台的建立与结果分析
• 5.1 试验平台的组成
• 5.1.1 组成框图
• 5.1.2 实时视窗目标简介
• 5.1.3 数据采集板卡简介
• 5.2 实时视窗实现流程
• 5.3 电机参数及转动惯量的测试
• 5.3.1 电机模型
• 5.3.2 电机参数测试
• 5.3.3 转动惯量测试
• 5.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢