无人机非线性自抗扰控制方法研究
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【摘要】:无人机是一种特殊的动力空中飞行器,其主要特征是“无飞行员”,这一特性使无人机在军事领域中被誉为21世纪的“尖兵之翼”。现代局部战争中,降低作战代价的最优选择为减少、甚至是避免人员伤亡,无人机凭借突出的自身优势在武器装备角逐中的地位逐渐攀升。为更好的适应信息化条件下战争的需要,提升无人机飞行控制性能已迫在眉睫,考虑到无人机是利用空气动力克服自身重量进行自主飞行,飞行过程中不可避免的要受到各类干扰源的影响,若简单地采用消除干扰误差的线性方法进行飞行控制律设计,显然已不再适用,本课题从研究自抗扰控制方法(ADRC)的原理着手,提出采用该方法研究无人机飞行控制问题的策略。旨在改善利用非线性自抗扰控制技术改善无人机遭遇各样干扰时,稳定性和操纵性下降的问题。主要从以下几方面开展了课题的研究工作: 首先,在了解无人机运动特性的基础上,建立无人机飞行控制六自由度数学模型,并对非线性数学模型进行小扰动线性化简化。在此基础上,分析无人机纵向运动特性和横侧向运动特性,建立了无人机纵向运动模型和横侧向运动模型,进而确立本文研究问题的关键环节:设计具备理想的性能,同时还能有效的抑制干扰的合理的无人机数学模型,为后续研究工作奠定了基础。 其次,深入的研究了自抗扰控制方法(ADRC),,明确自抗扰控制器结构、功能及工作原理。应用Lyapunov方法证明了二阶扩张状态观测器(ESO)的稳定性,并明确了保持稳定性的充要条件,通过进行误差分析给出了不同参数下扩张状态观测器(ESO)误差收敛的评价标准。给出了基于fal函数反馈结构滤波的ESO设计方法和参数选取原则。 然后,针对无人机爬升/下滑阶段,以无人机无倾斜无侧滑飞行为基准运动,应用自抗扰控制策略设计了姿态角跟踪回路并搭建了仿真平台,通过设计控制律,寻求合理控制参数,完成对无人机在气流、阵风外干扰状态俯仰姿态的控制,提出了一种基于ADRC控制和PI控制相结合的组合控制策略,通过分析仿真结果可见:自抗扰控制器(ADRC)无需针对被控对象的精确模型,也不用确定外扰的数学模型,即可以实现对无人机俯仰角的快速、准确跟踪,并获得相对理想的动态性能,从而验证了自抗扰控制器(ADRC)具有很强抗干扰能力和鲁棒性。 最后,通过分析无人机纵向飞行运动特性,并根据自抗扰控制器(ADRC)的扩张状态观测器(ESO)能够估计并补偿系统的不确定因素的原理,在无人机纵向运动仿真平台上,通过自抗扰控制器的扩张观测器实现对纵向运动各回路运动的解耦,并进行了ADRC的参数整定,完成了控制律设计,在此基础上,最终完成对无人机的纵向运动控制,通过全面分析仿真结果,总结了非线性自抗扰控制方法应用于无人机稳定性控制的优缺点。
【关键词】:无人机 飞行控制 自抗扰控制 扩张状态观测器 建模及仿真
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:V249.1;V279
【目录】:
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第1章 绪论10-17
- 1.1 无人机及无人机系统10-14
- 1.1.1 无人机与其他航天器的区别及军事优势10-11
- 1.1.2 无人机的发展现状及未来趋势11-14
- 1.2 非线性自抗扰控制方法的发展概况14-15
- 1.3 本文的研究背景及主要研究内容15-17
- 第2章 无人机运动的空间表示17-27
- 2.1 常用坐标系定义及其相互转换17-22
- 2.2 无人机六自由度非线性模型的建立22-24
- 2.3 无人机数学模型的线性化24-25
- 2.4 本章小结25-27
- 第3章 自抗扰控制器理论基础27-43
- 3.1 自抗扰控制方法简介及控制器结构27-28
- 3.2 跟踪微分器的工作原理28-30
- 3.3 扩张状态观测器的工作原理30-41
- 3.3.1 任意阶系统的扩张状态观测器31-32
- 3.3.2 一阶系统的扩张状态观测器及 fal ( e , a f , f)函数概念32-34
- 3.3.3 扩张状态观测器稳定性分析34-39
- 3.3.4 扩张状态观测器参数选取原则39-41
- 3.4 非线性组合的工作原理41-42
- 3.5 本章小结42-43
- 第4章 无人机俯仰回路姿态控制器的设计与仿真43-52
- 4.1 自抗扰控制器原理应用43-45
- 4.2 自抗扰控制律设计45-47
- 4.3 仿真验证及分析47-51
- 4.4 本章小结51-52
- 第5章 无人机纵向运动自抗扰控制器的设计与仿真52-62
- 5.1 无人机纵向运动模型建立52-53
- 5.2 自抗扰控制原理应用及控制律设计53-56
- 5.3 仿真验证及分析56-61
- 5.4 本章小结61-62
- 结论62-63
- 参考文献63-66
- 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-68
- 致谢68
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