直升机模型滑模跟踪控制研究

论文摘要

直升机由于具有垂直起降、空中悬停、前后左右飞行等优点在抢险救灾等军民用领域得到广泛应用。直升机本身是一个非线性、多变量、强耦合的复杂控制系统,其研究涉及到系统建模、控制器设计和抗干扰等一系列相关问题,传统的经典控制方法往往达不到理想效果,采用滑模、模糊等智能控制方法是解决这类问题的主要研究方向。实际直升机飞行试验危险性大,传感器成本高,飞行控制算法的验证存在很多安全隐患,目前许多直升机实物仿真模型被用来模拟直升机的真实飞行,从而快速有效地研究直升机飞行控制问题。本文以Quanser公司研制的2-DOF直升机模型为研究对象。首先,分析了直升机模型的体系结构,进行了系统状态空间模型的建立及解耦处理。其次,基于LQR原理选取了一种积分型切换流形,采用滑模变结构控制方法设计了直升机姿态角度的跟踪控制器。最后,针对滑模在改善直升机系统动态运行品质、增强系统抗干扰能力的同时带来了控制器输出的剧烈抖振这一问题,以切换面及其导数的乘积和滑模切换增益的变化量为模糊系统的语言变量,设计了模糊滑模控制器实时调整变结构控制项的切换增益。仿真结果表明,所设计控制器既能够保持常规滑模控制的优点,且在一定程度上削弱了控制器的输出抖振。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 直升机控制的国内外现状
• 1.2.1 直升机飞行控制方法的研究进展
• 1.2.2 直升机模型仿真的研究现状
• 1.3 滑模变结构控制理论的发展与应用
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 直升机系统建模
• 2.1 直升机模型硬件结构分析
• 2.2 直升机系统建模
• 2.2.1 数学模型建立的方法
• 2.2.2 状态空间模型的建立及优化
• 2.3 系统解耦
• 2.4 小结
• 第三章 基于LQR直升机滑模角度跟踪控制
• 3.1 LQR原理
• 3.2 滑模变结构控制的理论基础
• 3.2.1 滑动模态的数学表达及系统稳定性分析
• 3.2.2 滑动模态的存在和到达条件
• 3.2.3 等效控制及滑动模态的运动方程
• 3.3 基于积分切换函数的滑模跟踪控制
• 3.3.1 线性系统的滑模变结构控制
• 3.3.2 直升机系统误差状态空间表达式描述
• 3.3.3 积分型切换面的选取
• 3.3.4 滑模控制器的设计
• 3.4 仿真及实验结果分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于模糊趋近律的滑模控制器设计
• 4.1 滑模控制系统的抖振及其削弱问题
• 4.1.1 抖振产生的原因
• 4.1.2 削弱抖振的一般方法
• 4.2 滑模趋近律及其性质分析
• 4.3 模糊滑模角度跟踪控制
• 4.3.1 模糊控制器的基本结构
• 4.3.2 模糊滑模控制器的设计
• 4.4 仿真及实验结果分析
• 4.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文