基于无模型自适应控制方法的四旋翼飞行器姿态调整

发布时间：2016-12-21 21:16

  本文关键词：基于无模型自适应控制方法的四旋翼飞行器姿态调整，，由笔耕文化传播整理发布。

《北京交通大学》 2015年

基于无模型自适应控制方法的四旋翼飞行器姿态调整

郑健  

【摘要】：四旋翼飞行器是由四个螺旋桨驱动的可以实现多种独特飞行动作、具有众多优良特性的一类非固定翼飞行器,具有重要的实际应用价值。然而,四旋翼飞行器是一个典型的具有强耦合、非线性等许多复杂特性的多变量系统,这使得四旋翼飞行器存在建模难的问题,因而针对四旋翼关键指标(如位置、姿态等)的控制方案设计也变得相对困难。 无模型自适应控制(MFAC)作为一种典型的数据驱动控制算法,对具有非线性、强耦合、时变等特性的系统具有很好的控制效果。因此,本文将数据驱动控制的方法引入到四旋翼飞行器控制算法的设计中。由于四旋翼飞行器位置与姿态存在耦合关系,并且姿态控制直接决定了位置控制的品质,所以本文着重研究了四旋翼飞行器的姿态控制,主要内容如下： (1)分析了四旋翼飞行器的运动原理,将四旋翼飞行器的动力学模型简化为一个线性时不变系统,并据此设计了系统的LQR控制器并进行了仿真。但该模型忽略了坐标系的相对运动以及摩擦、空气等外力干扰的影响,模型的精度不高,导致LQR控制器仿真效果并不理想。 (2)为了解决四旋翼飞行器建模困难的问题,利用基于数据驱动控制的方法来设计四旋翼飞行器的控制方案。首先,为了避免参数整定的繁琐,引入了基于模糊自整定的PID控制方法。其次,针对四旋翼飞行器这类含有二阶积分的非自衡系统,提出了带有一阶差分和二阶差分的改进的MFAC(Improved MFAC, IMFAC)方案。最后,将PID与MFAC相将结合,针对四旋翼飞行器设计了MFAC-PID串级控制和基于IMFAC外环补偿的PID综合控制方案。 (3)在Simulink平台搭建控制器仿真模块,并进行了仿真。通过对比发现,使用基于数据驱动控制方法设计的控制器,包括模糊PID、IMFAC、MFAC-PID串级控制、基于IMFAC外环补偿PID控制,比基于线性时不变模型设计的LQR控制器具有更好的效果。特别地,改进的IMFAC、MFAC-PID综合控制方案相较于模糊PID控制具有更小的稳态误差和更快的相应速度。此外,MFAC-PID综合控制方案的抗干扰能力最强,控制效果最好。 (4)基于四旋翼飞行仿真器实物平台和MATLAB/simulink软件平台,分别进行了LQR、模糊PID和MFAC-PID串级控制对阶跃响应的多个实时控制实验。针对四旋翼飞行器可能遇到的干扰形式,进行了四旋翼飞行器抗内干扰和外干扰的实时控制实验。实验结果表明,四旋翼飞行器的MFAC-PID串级控制方案相较LQR、模糊PID控制器有着更好的跟踪能力和扰动抑制能力。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

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本文编号：222581