基于线性自抗扰的四旋翼飞行器高度和姿态控制研究
发布时间：2021-07-03 22:14
本文受福建省自然科学基金课题“数据驱动的高空飞艇飞行切换控制”（2016J01317）和西藏自治区自然科学基金课题“非线性网络控制系统稳定性研究”（2016-ZR-15-25）资助研究四旋翼飞行器高度和姿态控制问题。采用线性自抗扰控制（Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC）为主要理论工具,以更好地处理实际飞行中的模型不确定性和阵风等干扰。具体研究内容如下:首先,由牛顿-欧拉公式推导出四旋翼飞行器的非线性动力学模型,并接着分析电子调速器（Electronic Speed Control,ESC）和电机的原理并给出近似模型,再对控制器中采用的相关模型参数进行测定和估计,得到对四旋翼飞行器完整的数学描述。其次,为了观察LADRC能否抵消干扰并稳定飞行器,对上述非线性模型进行简化,基于简化后的模型分别设计LADRC控制四旋翼飞行器的高度和姿态,同时将姿态控制看作跟踪问题,重新修正姿态误差的计算,采用三维欧几里得空间（身O（3））误差代替欧拉角误差。最后,在原非线性模型对象上进行跟踪阶跃信号的飞行仿真,使用经典控制理论中的根轨迹法分析...
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１四旋與四个转子转速和运动状态之间的关系??考虑到四旋翼在水平方向上的移动可以由滚转和俯仰动作实现，这样需要??
矩上：总推力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。这四个量即是我们控制器输??出的控制量，它们分别导致不同的飞行动作。??如上图２．１所示的一样，两对转子，即转子对（１，３）和转子对（２，４）以相??反的方向旋转，以消除另一对产生的反扭力，保持机身朝向不变。如果要四旋??翼在空中悬停，只需四个转子的总推力等于重力即可。而同时增大或减小四个??转子的转速，会导致飞行器上升或下降。如果要向左改变机头方向，可以增??大转子（１，３）的转速，同时减小转子（２，４）的转速，从而产生向左的偏航力??矩，但同时需要注意四个转子的总推力要保持和重力相等。相反地，减小转子??（１，３）的转速，增大转子（２，４）的转速，会使机头向右偏转。同理，减小转子??（１，４）的转速，增大转子（２，３）的转速，可以产生向左的滚转力矩，使飞行器??向左飞行。增大转子（１
第三章自抗扰控制器结构及原理??自抗扰控制的结构如图３．１，它继承了比例－积分－微分（ＰＩＤ）控制的优点：??基于误差消除误差的控制律设计而不是基于输入输出模型。同时从现代控制理??论汲取了重要的成果：状态观测器。非线性自抗扰控制还包含了非线性反馈并??充分利用其优势。而且该控制方法最早是植根于计算机仿真的实验平台开发??的，不同于传统的理论研究路线，更贴近实用工业领域，因此在现实中得到广??泛地应用。在此基础之上，高志强老师在２００３年提出线性自抗扰控制，用线性??增益取代非线性增益，大大简化了自抗扰控制器参数的整定过程，且为之后的??稳定性证明提供了便利。??在本章中，我们先依次介绍自抗扰控制器结构的三个主要部分：跟踪微分??器（Ｔｒａｃｋｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒ，ＴＤ）、扩张状态观测器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ?Ｓｔａｔｅ?Ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＥＳＯ）和??非线性误差反馈控制律（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?Ｓｔａｔｅ?Ｅｒｒｏｒ?Ｆｅｅｄｂａｃｋ，ＮＬＳＥＦ），最后说明本文采??用线性自抗扰控制器的原因和设计方法。本章的理论和推导参考书籍［４４］。??」！?ｎＷ?ｎ?；?ｍ＜／）Ｉ??ｆＤ?：，｜?ｓ?＂气??：！?Ｉ?ｖ？（〇?ｐ?ｒｆ?｜?；??１＾?７Ｆ?工：??．?＾ｎ＋ｌ?＼０?Ｉ?ｎ＋１?Ｉ?．??Ｉ?…?Ｍ?｜?＾???—＾—ＬＬｉ??图３．１自抗扰控制框图??３．１跟踪微分器??跟踪微分器的作用从字面上理解就是输出跟踪输入及其微分的信号。换句??话说
【参考文献】：
期刊论文
[1]火电单元机组机炉协调柔性自抗扰控制[J]. 董君伊,孙立,李东海. 中南大学学报(自然科学版). 2015(09)
[2]自抗扰控制:思想、应用及理论分析[J]. 黄一,薛文超. 系统科学与数学. 2012(10)
[3]自抗扰控制纵横谈[J]. 黄一,薛文超,赵春哲. 系统科学与数学. 2011(09)
[4]基于扩张状态观测的机器人分散鲁棒跟踪控制[J]. 陈国栋,贾培发. 自动化学报. 2008(07)
[5]自抗扰控制在监控精轧宽度控制系统中的应用[J]. 王丽君,童朝南,孙一康. 系统仿真学报. 2006(06)
[6]火电单元机组协调系统的自抗扰控制方案研究[J]. 黄焕袍,武利强,韩京清,高峰,林永君. 中国电机工程学报. 2004(10)
[7]自抗扰控制器的发展[J]. 黄一,张文革. 控制理论与应用. 2002(04)
[8]电力系统自抗扰控制器[J]. 焦连伟,陈寿孙,王晓丰. 清华大学学报(自然科学版). 1999(03)
[9]利用非线性特性改进PID控制律[J]. 韩京清. 信息与控制. 1995(06)
[10]非线性状态误差反馈控制律──NLSEF[J]. 韩京清. 控制与决策. 1995(03)
博士论文
[1]基于主动扰动抑制的 P-DI 汽油机高稀释低温燃烧控制研宂[D]. 宋康.天津大学 2015
本文编号：3263451
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１四旋與四个转子转速和运动状态之间的关系??考虑到四旋翼在水平方向上的移动可以由滚转和俯仰动作实现，这样需要??
矩上：总推力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。这四个量即是我们控制器输??出的控制量，它们分别导致不同的飞行动作。??如上图２．１所示的一样，两对转子，即转子对（１，３）和转子对（２，４）以相??反的方向旋转，以消除另一对产生的反扭力，保持机身朝向不变。如果要四旋??翼在空中悬停，只需四个转子的总推力等于重力即可。而同时增大或减小四个??转子的转速，会导致飞行器上升或下降。如果要向左改变机头方向，可以增??大转子（１，３）的转速，同时减小转子（２，４）的转速，从而产生向左的偏航力??矩，但同时需要注意四个转子的总推力要保持和重力相等。相反地，减小转子??（１，３）的转速，增大转子（２，４）的转速，会使机头向右偏转。同理，减小转子??（１，４）的转速，增大转子（２，３）的转速，可以产生向左的滚转力矩，使飞行器??向左飞行。增大转子（１
第三章自抗扰控制器结构及原理??自抗扰控制的结构如图３．１，它继承了比例－积分－微分（ＰＩＤ）控制的优点：??基于误差消除误差的控制律设计而不是基于输入输出模型。同时从现代控制理??论汲取了重要的成果：状态观测器。非线性自抗扰控制还包含了非线性反馈并??充分利用其优势。而且该控制方法最早是植根于计算机仿真的实验平台开发??的，不同于传统的理论研究路线，更贴近实用工业领域，因此在现实中得到广??泛地应用。在此基础之上，高志强老师在２００３年提出线性自抗扰控制，用线性??增益取代非线性增益，大大简化了自抗扰控制器参数的整定过程，且为之后的??稳定性证明提供了便利。??在本章中，我们先依次介绍自抗扰控制器结构的三个主要部分：跟踪微分??器（Ｔｒａｃｋｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒ，ＴＤ）、扩张状态观测器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ?Ｓｔａｔｅ?Ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＥＳＯ）和??非线性误差反馈控制律（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?Ｓｔａｔｅ?Ｅｒｒｏｒ?Ｆｅｅｄｂａｃｋ，ＮＬＳＥＦ），最后说明本文采??用线性自抗扰控制器的原因和设计方法。本章的理论和推导参考书籍［４４］。??」！?ｎＷ?ｎ?；?ｍ＜／）Ｉ??ｆＤ?：，｜?ｓ?＂气??：！?Ｉ?ｖ？（〇?ｐ?ｒｆ?｜?；??１＾?７Ｆ?工：??．?＾ｎ＋ｌ?＼０?Ｉ?ｎ＋１?Ｉ?．??Ｉ?…?Ｍ?｜?＾???—＾—ＬＬｉ??图３．１自抗扰控制框图??３．１跟踪微分器??跟踪微分器的作用从字面上理解就是输出跟踪输入及其微分的信号。换句??话说
【参考文献】：
期刊论文
[1]火电单元机组机炉协调柔性自抗扰控制[J]. 董君伊,孙立,李东海. 中南大学学报(自然科学版). 2015(09)
[2]自抗扰控制:思想、应用及理论分析[J]. 黄一,薛文超. 系统科学与数学. 2012(10)
[3]自抗扰控制纵横谈[J]. 黄一,薛文超,赵春哲. 系统科学与数学. 2011(09)
[4]基于扩张状态观测的机器人分散鲁棒跟踪控制[J]. 陈国栋,贾培发. 自动化学报. 2008(07)
[5]自抗扰控制在监控精轧宽度控制系统中的应用[J]. 王丽君,童朝南,孙一康. 系统仿真学报. 2006(06)
[6]火电单元机组协调系统的自抗扰控制方案研究[J]. 黄焕袍,武利强,韩京清,高峰,林永君. 中国电机工程学报. 2004(10)
[7]自抗扰控制器的发展[J]. 黄一,张文革. 控制理论与应用. 2002(04)
[8]电力系统自抗扰控制器[J]. 焦连伟,陈寿孙,王晓丰. 清华大学学报(自然科学版). 1999(03)
[9]利用非线性特性改进PID控制律[J]. 韩京清. 信息与控制. 1995(06)
[10]非线性状态误差反馈控制律──NLSEF[J]. 韩京清. 控制与决策. 1995(03)
博士论文
[1]基于主动扰动抑制的 P-DI 汽油机高稀释低温燃烧控制研宂[D]. 宋康.天津大学 2015
本文编号：3263451
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