基于滚动时域控制的无人直升机飞行控制研究

论文摘要

本文所研究的旋翼-涵道复合式无人直升机是一种新型无人直升机,其机身结构与气动布局不同于常规直升机,可作为多用途飞行控制平台,执行不同的飞行任务。无人直升机是一个多变量、强耦合、非线性的复杂被控对象,根据无人直升机内外回路的设计结构,如何实现无人直升机姿态角速度/姿态角内回路的解耦控制是无人直升机飞行控制系统设计的核心。本文采用两种滚动时域控制方法——滚动时域LQ控制和鲁棒滚动时域控制设计无人直升机姿态角速度/姿态角内回路控制器。结合该复合式无人直升机各通道耦合特性,将无人直升机悬停时线性模型分解为俯仰滚转子系统（记为S1子系统）和垂向偏航子系统（记为S2子系统）。针对分解后的子系统,利用两种滚动时域控制方法设计无人直升机姿态角速度/姿态角内回路控制器,内回路输出姿态角速度/姿态角积分得到姿态角/纵横向速度反馈构成姿态角/线速度控制回路,同样,在速度控制回路基础上通过速度与位移之间的积分关系得到轨迹控制回路。并分别对比分析滚动时域LQ控制与传统LQ控制方法的控制效果和鲁棒滚动时域控制与传统PID控制方法的控制效果,通过对比仿真结果表明,采用滚动时域控制方法设计的无人直升机飞行控制器能够有效的实现系统的解耦控制,增强系统的稳定性,提高系统的鲁棒性和跟踪效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 研究背景和现状
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 无人直升机模型的建立
• 2.1 常用的坐标系
• 2.2 直升机模型的建立
• 2.2.1 直升机建模的方法及特点
• 2.2.2 无人直升机非线性模型
• 2.2.3 直升机模型的线性化
• 2.2.4 线性模型与非线性模型的比较
• 2.2.5 线性模型的分解
• 2.3 本章小结
• 第三章 RHC 基本原理及实现方式
• 3.1 RHC 基本原理
• 3.1.1 预测模型
• 3.1.2 滚动优化
• 3.1.3 反馈校正
• 3.2 线性矩阵不等式
• 3.2.1 LMI 简介
• 3.2.2 LMI 工具箱介绍
• 3.3 采用LMI 形式作为实现方式的原因
• 3.4 本章小结
• 第四章 滚动时域LQ 控制器设计
• 4.1 滚动时域LQ 控制理论
• 4.1.1 问题描述
• 4.1.2 滚动时域LQ 控制的LMI 表示形式
• 4.2 无人直升机开环系统分析
• 4.2.1 线性系统的动态响应
• 4.2.2 无人直升机的稳定特性与耦合特性
• 4.3 内回路的RCAH 设计
• 4.3.1 滚动时域LQ 控制器参数设计
• 4.3.2 RCAH 回路仿真结果
• 4.4 外回路的ACAH 设计
• 4.5 外回路的TRCPH 设计
• 4.6 自动保持模态的设计
• 4.7 RH LQ 控制器与LQ 控制器的性能比较
• 4.7.1 LQ 控制理论基础知识
• 4.7.2 基于LQ 控制的RCAH 回路控制器设计
• 4.7.3 两种控制器性能比较
• 4.8 滚动时域LQ 控制的鲁棒性
• 4.9 本章小结
• 第五章 鲁棒滚动时域控制器设计
• 5.1 鲁棒滚动时域控制理论
• 5.2 UAH 姿态角回路的控制器设计
• 5.3 UAH 速度回路的控制器设计
• 5.4 UAH 轨迹回路的控制器设计
• 5.5 鲁棒性分析
• 5.5.1 抗扰动性
• 5.5.2 参数摄动
• 5.5.3 未建模动力学
• 5.6 鲁棒滚动时域控制器与PID 控制器性能比较
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文