单旋翼垂直起降系统的模糊PID控制.pdf
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1、由于旋翼无人机具有续航时间长、垂直起降及应用广泛等特点 其姿态稳定控制是实现日常飞行任务的主要因素 需具备一定抗干扰能力 针对传统 ()控制算法的旋翼无人机姿态抗干扰性弱、鲁棒性及解耦性差等问题 基于模糊比例积分微分控制算法 依托 开放式试验平台 进行了旋翼无人机姿态模糊 控制设计 利用 软件设计控制算法 通过系统建模、仿真调试和试验结果分析表明模糊 控制器比传统 控制速度更快 稳态时间更长 且具有自适应特性 控制参数可随外部环境自动调节 能充分保证控制系统的稳定性关键词:垂直起降系统 姿态控制 模糊 控制 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():().().:近年来 旋翼无人机在民用、消
2、防及军事领域都表现出良好的应用前景 特别在跟踪、救援、农业、林业发展中得到广泛应用 其系统控制方式也由传统遥控控制逐渐向自主控制发展 但由于旋翼无人机在飞行中极易受到外部不利因素的影响 且无人机本身是一个非线性、强耦合及欠驱动的系统 其控制系统参数动态性能及建模存在较大不确定性 对抗干扰能力及调平相应能力具有较高的要求 因此 对天津理工大学学报第 卷 第 期于旋翼无人机位置与姿态控制的准确性与稳定性的研究有着重要的意义与价值 当前 国内外比较广泛应用的控制方法有 比 例 积 分 微 分()控制、反步法、自抗扰控制等针对旋翼无人机控制系统存在外部扰动与不确定性的问题 文中提出一种基于模糊 的姿态
3、控制方法 将系统输入与输出间的误差及其变化率作为模糊控制的输入 通过模糊控制输出 控制所需的比例、积分和微分增益 并在 试验平台中利用 软件设计控制算法 验证模糊 对旋翼飞行器姿态控制效果 开放平台 全 称 为 是一种图形化的编程语言 被工业界、学术界和实验室广泛使用 编程界面丰富灵活 能与多种编程语言相互嵌套 适合验证控制算法有效性 能在短时间内完成复杂的系统设计和调试 文中通过以 为核心的开放性平台 完成对旋翼无人机模糊 控制设计 并采用嵌入式系统开发平台 其核心芯片为 平台 支 持 对 进 行 编 程 可 采 图形化编程方式进行学习开发 搭建与 平台配套使用的各类典型试验对象 平台的总体
4、设计方案如下:()模型分析 通过分析系统 建立小型升降系统数学模型 包括动力学分析及运动学方程 通过计算系统刚度 为控制器参数设计提供理论基础()系统搭建与控制器设计 采用 试验平台搭建小型升降系统()()试验测试与分析 在小型升降系统上 调试经典 控制参数分析性能 基于控制理论和模糊控制理论 建立模糊 控制系统 并进行对比分析 试验方案设计 基于 的试验设计建立升降系统模型 搭建模糊 控制算法 在 软件中完成程序连接 通过与试验平台通信连接达成实际试验调试 试验技术框图如图 所示图 试验技术框图 以 图形化编程为核心 基于小型升降系统模型 利用控制理论 结合 控制算法 建立 控制系统 依据模
5、糊控制逻辑 建立模糊 控制系统 通过 试验平台搭建小型升降系统()进行模拟试验 可较为直观地对 控制算法及模糊规则进行分析 升降系统试验旋翼无人机垂直起降系统是由 公司研制的用于控制的基础设备 该设备的垂直起降试验板连接在一个实心铝臂上 并装有高速直流风扇安全装置 铝臂的另一端连接可调配重 且该设备允许改变配重的位置 铝臂组件围绕单端光学编码器轴枢旋转 编码器用于测量臂的角度与位置即垂直起降的位置与俯仰角度 如图 所示 上位机及 中的控制器用来接收来自风扇的电流信息和铝臂的位置信息 并可向风扇发送控制指令信号 年 月陈嘉齐 等:单旋翼垂直起降系统的模糊 控制图 垂直起降系统组成及运动原理 模型
6、受力分析垂直起降试验臂纵向受力分析如图 所示图 垂直起降试验臂纵向受力分析图 图 中 刚体系统的力矩平衡方程为:()式中:为螺旋桨质量 为配重块质量 为平衡杆的质量 为支撑点到螺旋桨中心的距离 为支撑点到配重块中心的距离 为平衡杆与水平方向夹角推力 由螺旋桨产生 作用方向垂直于风扇推力力矩为:为转轴到螺旋桨中心的长度 就电流而言 当前推力力矩为 为电流推力转矩常数 代入电流推力力矩 则转矩方程为:()螺旋桨产生的力矩与配重块的重力力矩作用方向相同 与设备和风扇组件上的重力力矩相反 当试验臂能在螺旋桨产生的推力作用下保持水平且螺旋桨产生的推力垂直于水平面时 整个系统为平衡状态 在该状态下 系统的
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