基于改进PD的LESO四旋翼控制算法.pdf
《基于改进PD的LESO四旋翼控制算法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于改进PD的LESO四旋翼控制算法.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、42第40 卷第6 期2023年6 月真机仿算文章编号:10 0 6-9 348(2 0 2 3)0 6-0 0 42-0 5基于改进PD的LESO四旋翼控制算法刘春玲,冯锦龙,张瑾(大连大学信息工程学院,辽宁大连116 6 2 2)摘要:针对四旋翼飞行器非线性、强耦合及易受外界干扰引起姿态不稳定问题,设计了一种改进PD的线性扩张状态观测器(LESO)控制器。通过在PD算法的微分环节中加入一阶惯性环节,构成不完全微分控制,提高飞行系统的控制性能。利用LESO将控制系统中的内外部扰动进行估计并补偿到原系统中,不仅能减少系统误差,还能增强控制系统的抗干扰能力,提高系统鲁棒性及稳定度。通过MATLA
2、B仿真表明,提出的改进PD的LESO控制器能够快速达到稳定状态,有效提高四旋翼飞行器姿态的稳定控制能力,超调量更小、控制效果更佳,相比于常规的PID控制器,具有更高的鲁棒性和自适应能力。关键词:四旋翼飞行器;线性扩张姿态观测器;不完全微分比例微分控制中图分类号:TP391.9文献标识码:BBased on Improved PD of LESO Quadrotor Control AlgorithmLIU Chun-ling,FENG Jin-long,ZHANG Jin(College of Information Engineering,Dalian University,Dalian L
3、iaoning 116622,China)ABSTRACT:Aiming at the problem of attitude instability caused by nonlinearity,strong coupling and susceptibilityto external interference of quadrotor,a linear extended state observer(LESO)controller with improved PD is de-signed.First,by adding a first-order inertia link to the
4、differential link of the PD algorithm,an incomplete differentialcontrol was formed to improve the control performance of the flight system.Then,LESO was used to estimate and com-pensate the internal and external disturbances in the control system to the original system,which can not only reducesyste
5、m errors,but also enhance the anti-interference ability of the control system,and improve system robustness andstability accuracy.Through MATLAB simulation experiment,it is shown that the proposed LESO controller with im-proved PD has higher robustness and adaptive ability than conventional PID cont
6、roller,can achieve a stable statequickly,effectively improve the stability control ability of quadcopter attitude,and has a smaller overshoulation andbetter control effect.KEYWORDS:Quadrotor;Linear extended attitude observer;Incomplete differential PD1引言四旋翼飞行器控制系统是一个非线性、强耦合的复杂系统,给控制设计带来了巨大的挑战,针对这一复杂
7、系统,文献1,2用经典PID设计控制器,因实现简单、有良好的抗干扰能力等,在四旋翼飞行器控制系统的设计中得到广泛应用,然而其处理耦合问题的能力较差及不能自适应调整参数。文献3,4 设计了改进型PID控制器,利用在经典PID控制原理基础上进行了改进,但未考虑飞行环境中的未知扰动3和需要精确的数学模型4。文献5-7 设计了双回路PD参数优化控制器,该设计通用性强、易实现,寻优速度快且跟踪收稿日期:2 0 2 1-0 9-0 6修回日期:2 0 2 1-0 9-12效果良好,然而在四旋翼飞行器建模过程中,忽略了空气阻力和未知扰动等。文献8,9 设计了PID的滤波器控制器,该方法能实现良好的鲁棒性,但
8、对强耦合的非线性四旋翼控制系统控制不理想。文献10,11 采用模糊PID控制器,该方法有良好的动态性能,但需要更细化的模糊规则,增加了该方法的实现难度。针对四旋翼非线性、强耦合及易受外界干扰引起姿态不稳定问题,设计了基于改进型PD的LESO(Li n e r Ex t e n d e dStateObserver)飞行控制方法。首先,在反馈回路中设计了LESO,运用LESO原理实现四旋翼姿态的解耦控制,同时对系统的内外部扰动进行估计补偿到原系统中,增强系统鲁棒性;然后利用改进PD控制,增强系统动态特性,降低外界信号对飞行控制系统的干扰,提高系统的抗干扰能力。432四旋翼飞行器数学模型在四旋翼建
9、模时,假设机体是质量均匀且对称的刚体,四个旋翼为刚性且不会发生形变,机体坐标和质心坐标重合。F1F4M1M4ZZX个F3yF2X(B)M3M2图1四旋翼飞行器坐标及电机示意图四旋翼飞行器的结构如图1所示,M,代表各个旋翼的电机,定义惯性坐标E(XYZ)和机体坐标B(x y z)之间的相对位置可以通过位置坐标确定,飞行器在地面坐标系下的姿态角,p,为机体坐标系下的pitch,roll,yaw,即俯仰角、滚转角和偏航角,令R(6,)表示惯性坐标E和机体坐标B之间的转换矩阵,可以表示为coscos cossinOsinsinsin p+cossin cos R=sin cos sin sin sin
10、 sinsin cos-sin pcos-sin cos Osin cos Ocos(1)四旋翼飞行器非线性运动方程分为平移运动和旋转运动。由牛顿第二定律得x,y,z 方向的平移运动表示为x=(cos psin Gcos t+sin gsin)4F.J/mi=14=(cossin Ssin-sinpost)F.J/m(2)i=1:=(cos 9cos 0F.-mg)/m=1其中F(i=1,2,3,4)为螺旋桨的升力,m为四旋翼机体的质量。根据角动量守恒得四旋翼旋转运动的表示为=(1,-1,)j+I(F4-F2-D。/1=(1,-1.)+l(F,-F.)-D,J/,(3)j=(I,-I,)op+
11、(F,+F4-F,-F,)-D/l,其中I(i=x,y,z)为轴的转动惯量,l为机体轴心距,D(i=,,)为环境中不确定的干扰分解到坐标轴的分量。为了简化四旋翼的平移运动和旋转运动,定义虚拟控制量U,UU,U为四个独立的输人,分别以升力FI,F2,Fs,F4进行变换,变换公式可表示为U1117U.-101F2(4)U-1010FU4L-11-11LF4结合方程式(2)、(3)和(4),四旋翼无人机飞行器系统的动力学模型可表示为:x=(cos sin Ocos+sin psin)U,/my=(cospsin sin-sincos)U,/mz=(cos pcos QU,-mg)/m(5)=(1,-
12、1,)o+IU2-D,/1=(I,-I,)oi+IU,-D。)/,(j=(I,-I,)0p+U,-D,/I,3改进型PD的LESO控制器设计3.1改进型PD常规PD控制器通过对比例系数和微分时间常数的适当调整,可达到较为良好的控制效果,其结构如图2 所示。Up(k)e(k)Uo(k)Up(k)图2常规PD控制器PD控制器的控制规律表达式可表示为uo(k)=up(k)+up(k)=kpe(k)+T,(6)式中kp为比例系数,T,为微分时间常数,e(k)为系统误差。对PD控制器的微分项可表示为up(h)=(kp)e(k)-e(k-1)=k,e(k)-e(k-1)(7)由式(7)可以看出,微分环节的
13、引人,改善了系统的动态特性,但对高频干扰信号特别敏感,容易引人扰动。同时说明在误差扰动突变时会显出微分项的不足,而且长时间系统会积累静态误差,导致鲁棒性下降,很难达到预期的控制效果。为克服上述问题,在常规PD算法中加人了一阶惯性环节D,=1/(1+T(s)),则改进型PD控制器,结构如图3所示。改进型PD控制器的控制规律可表示为uo(k)=up(k)+up(k)+upr(k)(8)式中up(k)为比例控制,up(kh)加上upr(k)为微分控制,e(k)为系统误差。44式中a=T/(a1,0l-a。U(k)Uo(k)e(k)Up(k)Up(k)图3改进型PD控制器对于微分环节加入一阶惯性后,其
14、微分方程形式可表示为dup(t)de(t)up(t)+T,(9)dtD.dt将(9)式离散化,可表示为:up(hk)+T,u,(h)-up(k-1)k.Te(k)-e(k-1)TTP(10)式中T,为一阶惯性常数,T为采样周期。对(10)式整理有:Trup(h-1)k,TDup(k)e(k)-e(k-1)(11)T+T,T+T对(8),11式进行整理可得:uo(h)=k,e(k)+up(h)+upr(k)=k,e(k)+ka(1-)e(k)-e(k-1)+ua(h-1)(12)由数学模型知,四旋翼的旋转运动方程是一个多输人多输出非线性耦合系统,此处利用线性自抗扰控制算法中的线性扩张状态观测器对
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 改进 PD LESO 四旋翼 控制 算法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。