基于DMC-PID复合控制的无人直升机飞控系统设计

建立了某型无人直升机的线性化模型,并对动态矩阵控制算法进行了相关的理论研究,结合经典的PID控制应用至某型无人直升机飞行控制系统控制律.经仿真验证,该设计方法可行、合理.     

无人机控制律仿真

文中将粒子群优化算法及动态逆控制方法,应用到无人机控制律的设计与仿真验证中。设计了动态逆控制律及其仿真,引用了基于动态逆控制理论的无人机控制律。应用动态逆控制(Dynamic Inversion Control,DIC)技术,设计了姿态角速率回路与姿态角回路,作为无人机控制系统的内回路;应用PID (比例、积分、微分控制技术,设计了三轴位移回路,作为控制系统的外回路。通过PSO优化算法及样条函数,设计了符合无人机使用要求的航迹曲线。最后,对航迹点进行样条插值,得到平滑的航迹曲线。对无人机控制律响应与航迹跟踪,进行了综合仿真验证。仿真结果表明,所设计的无人机控制律,在允许精度的范围内,跟踪无人机预定航迹效果良好,满足无人机飞行控制需求。     

基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

提出了一种改进的无人直升机H_∞回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术引入到无人直升机高带宽控制器设计,根据飞行扫频数据,得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应,依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型,采用改进的H_∞回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器,针对H_∞回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题,利用了最大右约数(GCRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比,使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度,系统的解耦性和频带也显著提高,而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证,所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。     

小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制研究

以某小型无人直升机为对象,采用分体法分析了机体各部分受力情况。根据力与力矩的平衡关系,获得了无人直升机完整的非线性飞行动力学数学模型。基于所建模型,进行了所有飞行状态下无人直升机的配平计算。根据配平结果,获得了悬停时的线性状态空间模型,在考虑风扰动前提下,采用H∞静态输出反馈控制方法对无人直升机内外回路控制器进行了设计。仿真结果表明,所建模型的配平结果与实际直升机特性基本相符,验证了模型的有效性;H∞综合控制方法较好地实现了对扰动下无人直升机状态的控制,表明该算法具有良好的鲁棒性、解耦性及跟踪特性。     

基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

某型无人直升机前飞段仿真建模与试飞验证

针对某型无人直升机无铰式旋翼技术验证和飞行试验需求,建立了能够用于实时仿真的非线性飞行动力学模型,并基于经典PID控制算法完成了飞行控制律设计。为验证理论模型准确性和控制参数合理性,相继开展了盘旋飞行和大速度飞行的半物理仿真和飞行试验,并基于飞行试验控制效果评估完成了部分控制参数的优化设计。数据分析表明:半物理仿真和飞行试验的时域响应和配平特性均吻合较好,验证了非线性飞行动力学模型的准确性;飞行试验中无人直升机姿态和速度响应均能够较好地跟踪其设定值,所设计的飞行控制参数能够满足某型无人直升机稳态飞行控制要求。     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

直升机H_∞回路成形全姿态控制器设计

根据内外回路思想结合鲁棒H∞回路成形方法,设计了直升机双回路飞行控制系统。内回路主要完成直升机的全姿态控制,包括滚转角、俯仰角和偏航角的同时控制;外回路在内回路的基础上实现了速度跟踪。所设计的控制系统基本实现了直升机各通道间的解耦,且具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。最后,按照ADS-33E标准对飞行性能进行了评估,结果表明飞行品质达到了1级水平。     

无人直升机自动航线飞行控制律设计与仿真

无人直升机具有悬停、小速度全向机动、大速度前飞等飞行能力,其飞行包线范围大,对飞行控制律设计的要求很高。无人直升机在进行自动航线飞行时,不仅涉及的飞行模态多,而且需要满足复杂的飞行航线需求。根据无人直升机复杂的航线飞行特点,对其航线飞行过程进行区域划分,针对不同划分区域,采用工程上常用的PID控制方法和衰减软化技术,设计了高度控制器、纵向位置控制器、横向位置控制器、协调转弯控制器和控制器问的切换算法,并进行典型航线飞行的数字仿真。仿真结果显示,无人直升机飞行航迹与设定航线的重合性较好,模态切换稳定平滑,从而验证了无人直升机自动航线飞行控制律设计的正确性,为后续工程应用奠定基础。     

无人直升机悬停及小速度飞行精确控制设计与仿真

采用姿态内回路和位置外回路的控制方法,设计无人直升机悬停及小速度飞行控制律,并进行仿真验证控制的精确性。     

直升机吊挂控制系统飞行品质分析

基于直升机指令模型、PID控制和动态逆控制理论,建立了三种直升机吊挂耦合系统控制模型以研究吊挂对直升机飞行品质的影响。依据军用旋翼飞行器飞行品质规范(ADS -33E)和直升机带吊挂飞行的飞行品质要求,对各控制模型进行了仿真和频域分析,并研究了吊挂质量和吊索长度对系统飞行品质的影响。结果表明:引入吊挂摆角状态反馈可提高系统操纵品质,系统幅值裕度达到126 dB,增益带宽为331 rad/s。而吊挂摆角的滞后反馈可使吊挂摆角在1 rad/s频率附近的幅值衰减减少一半,但系统操纵品质变差,增益带宽仅为062 rad/s。此外,较大的吊挂质量和较长的吊索长度将严重影响系统的飞行品质。      

无人直升机悬停低速段的不确定性仿真验证

在无人直升机控制律的设计过程中,需要对无人直升机进行建模,并对飞行中产生的一些不确定性因素进行仿真验证.目前,很多不确定性因素的描述是在非线性的环境中加入一些简单的扰动,然而能够确切地描述无人直升机动态特性的非线性模型在MATLAB中很难搭建.为此,文章从工程研究的角度,提出了在无人直升机线性模型组的基础上进行不确定性仿真验证的方法,从物理特性的角度描述无人直升机在悬停低速飞行时的对象特性不确定性,选择不确定或扰动因子;在MATLAB中建立了仿真模型,进行了无人直升机悬停低速段不确定性的验证.此方法简单、快速,并且能正确地反应无人直升机悬停低速段的不确定性,具有一定的工程意义.     

一种小型无人直升机动力学模型参数辨识方法

针对具有复杂动力学特性的小型无人直升机系统,提出了一种系统动力学建模方法。该方法通过机理建模确定小型无人直升机角动态模型结构,采用线性调频Z变换加窗函数的方法对频谱分析频带进行细化和幅值谱修正,设计了一种基于不同宽度窗函数的组合窗算法,减小了飞行试验数据频谱分析时随机误差对频谱估计的影响,最终利用偏相干分析的频域辨识方法得到待辨识的动力学模型参数。将所建立的动力学模型与飞行试验数据进行时域交叉验证,验证结果表明,所建模型很好地反映了小型无人直升机的动态特性,具有较高的准确度和适应性。     

显模型跟踪控制技术在舰载无人直升机姿态控制中的应用

采用基于模型逆的显模型跟踪控制方法,借鉴ADS-33要求设计了舰载无人直升机俯仰姿态控制律,并进行了仿真验证,较好地解决了舰载无人直升机姿态控制的难题。     

基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统

设计了一种基于加速度计和角速率陀螺的超小型无人直升机姿态控制系统；由卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺数据，实时估计最优的直升机姿态信号；根据最优的姿态反馈信号，飞行控制系统采用参数自整定的模糊PID控制方法得到舵机控制信号，从而实现了超小型无人直升机的姿态控制。     

直升机多模态飞行控制系统

直升机具有较强的耦合性、不稳定性，给飞行控制系统的设计带来了很大的困难。动态逆技术通过成功的飞行测试而获得广泛的认同。本文将直升机划分为内外两个回路，内回路采用动态逆的方法，得到了较好的解耦效果。外回路用线性二次型状态调节器设计法设计速度保持回路，仿真结果表明具有良好的指令保持能力，     

直升机多模态飞行控制系统

直升机具有较强的耦合性、不稳定性,给飞行控制系统的设计带来了很大的困难.动态逆技术通过成功的飞行测试而获得广泛的认同.本文将直升机划分为内外两个回路,内回路采用动态逆的方法,得到了较好的解耦效果.外回回用线性二次型状态调节器设计法设计速度保持回路,仿真结果表明具有良好的指令保持能力.     

“天行者”小型无人直升机自主飞行控制系统设计

介绍了上海交通大学"天行者"小型无人直升机自主飞行控制系统的设计及实现技术。首先引入了德国柏林工业大学基于牛顿力学建立的小型无人直升机动力学模型,然后基于此模型设计了直升机飞行姿态控制器。之后引入一种针对二次积分模型基于期望响应轨迹设计控制器的控制算法,文中简称为MTC,设计实现了直升机飞行位置的不超调控制和飞行速度控制。实际飞行控制试验结果验证了飞行控制算法的有效性。仿真试验表明,基于MTC算法所设计的飞行导引点方法,可用于实现多航点路径的不减速连续曲线轨迹的飞行控制。     

直升机动态逆神经网络模型

以SH－2G直升机辨识模型为对象，采用天并作用函数的多层感知器网络，建立了直升机的动态逆神经网络模型，在直升机越障机动飞行仿真的同时，利用直升机操纵信号和对应的状态作为网络的训练样本，对直升机逆模型进行在线辨识，并给出了仿真结果及其分析。结果表明，该网络对直升机动力学逆模型具有良好的在线辨识效果。     

某型无人直升机飞控系统仿真研究

介绍了某型无人直升机飞行控制系统半实物仿真系统的组成、原理和实现方法。在仿真系统中，采用Windows平台实现了无人直升机飞行动力学模型的实时解算，解决了在多任务平台上进行实时仿真的关键问题。通过对某型无人直升机飞行控制系统半实物仿真结果的分析和研究，确定了无人直升机飞行控制规律，并整定了控制参数。