小型无人直升机抗干扰控制技术研究

• 作 者: 邵太洲
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 小型无人直升机 自抗扰控制 抗干扰 抗饱和

小型无人直升机是一个欠驱动,强非线性,强耦合性,模型不确定系统。在飞行过程中小型无人直升机对外部干扰敏感,抗干扰能力差。特别是当扰动引起短时间内姿态角大幅度变化时,该扰动还可能会导致直升机执行机构饱和,这是造成控制系统性能恶化的主要原因之一。本文有针对性的采用了自抗扰控制和抗饱和控制,来提高小型无人直升机控制系统的抗干扰能力以及避免执行机构饱和。本文首先根据直升机运动学原理,动力学原理,导航理论,舵机模型建立了六自由度的动力学模型,根据直升机控制原理建立了四通道,内外两环的控制器,进而组成了基于PID控制的小型无人直升机飞行控制仿真系统。其次针对执行机构饱和的问题,分析了饱和的幅值范围,在原有控制器的控制输入环节中添加负反馈环节组成抗饱和控制器,并对改造后的超前矫正环节控制器进行分析,揭示了抗饱和控制的本质。在matlab/simulink中进行的仿真实验表明,当姿态角大幅度变化时,抗饱和控制器的控制性能明显优于传统PID控制。为了提高抗干扰的能力,提出了基于自抗扰原理的自抗扰控制器,建立了适用于小型无人直升机的自抗扰控制器,理论分析表明自抗扰控制器能够实现系统内部不确定耦合和外部干扰的估计与消除,实现各个控制通道的解耦控制以及瞬态大误差的平滑过渡。在simulink仿真系统中设计了姿态跟踪实验,高度控制实验,抗扰动实验。仿真结果进一步验证了理论分析的正确性,相比于PID控制自抗扰控制显著提高了控制的稳定性和鲁棒性。最后,基于亚拓550直升机平台和stm32f4硬件平台,利用C语言和keil交叉编译环境在飞控板中实现了自抗扰控制算法和抗饱和算法。野外的悬停试飞实验表明小型无人直升机的姿态控制和位置控制的精度得到了很大的提高。