三自由度四旋翼盘旋系统控制问题研究

论文摘要

四旋翼无人直升机是一种垂直起降式直升机,在军事和民用方面都具有广阔的应用前景,例如,可以将之应用到地面战场的侦察和监视、重大自然灾害之后的搜索与救援等领域。近年来,四旋翼直升机已经引起了人们的高度关注,许多研究机构正致力于这方面的研究工作。本文主要是利用三自由度四旋翼盘旋系统来研究四旋翼直升机的姿态控制问题。三自由度四旋翼盘旋系统通过四个螺旋桨旋转产生的升力来控制系统的俯仰角和滚转角的变化,而通过四个螺旋桨所产生的总扭矩来控制偏航角的变化,是一个典型的多输入多输出系统。本文针对三自由度四旋翼盘旋系统的特点,主要进行了以下几个方面的研究。首先,介绍了目前国内外四旋翼无人直升机的研究现状和相关技术,论述了开展这方面研究工作的重要意义。其次,研究了三自由度四旋翼盘旋系统的特性,根据系统的受力情况,在忽略陀螺效应和内部结构间的摩擦后建立了系统的动力学模型。接下来,根据系统的模型特点,研究并设计了基于状态观测器的二次线性最优控制器,并利用MATLAB和Simulink软件建立了系统的仿真模型,仿真结果验证了控制器的有效性。最后,为了使系统在受到未知扰动的情况下仍能保持稳定性,设计了具有抗干扰能力的自抗扰控制器,并进行了仿真实验,仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器具有很好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 主要控制方法
• 1.4 本课题研究目的和意义
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 三自由度四旋翼盘旋系统组成与模型
• 2.1 引言
• 2.2 系统组成
• 2.3 系统模型
• 2.3.1 俯仰角
• 2.3.2 滚转角
• 2.3.3 偏航角
• 2.3.4 状态空间方程
• 2.3.5 系统参数
• 2.4 小结
• 第三章 基于状态观测器的LQR控制器设计
• 3.1 LQR最优控制
• 3.1.1 二次型性能泛函
• 3.1.2 状态调节器
• 3.2 状态观测器
• 3.2.1 状态观测器定义
• 3.2.2 全维状态观测器
• 3.2.3 降维状态观测器
• 3.3 具有状态观测器的状态反馈系统
• 3.3.1 系统结构与状态空间表达式
• 3.3.2 闭环系统特性
• 3.4 控制器设计
• 3.5 仿真与分析
• 3.6 小结
• 第四章 基于自抗扰控制的控制器设计
• 4.1 自抗扰控制器
• 4.1.1 自抗扰控制器结构
• 4.1.2 自抗扰控制器分析
• 4.1.3 自抗扰控制器的收敛性
• 4.1.4 自抗扰控制器的参数整定
• 4.1.5 自抗扰控制器的典型应用
• 4.2 基于ADRC的控制器设计
• 4.2.1 动力学模型
• 4.2.2 ADRC控制器设计
• 4.3 仿真与分析
• 4.3.1 ADRC仿真实现
• 4.3.2 结果与分析
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢