无人机非线性姿态控制研究

发布时间：2017-05-18 22:15

  本文关键词：无人机非线性姿态控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来随着无人机在军事、科学实验等多个方面的广泛应用，无人机已经成为了研究的热门。无人机的控制作为无人机高效完成任务的基础也提出了更高要求。无人机控制对象是多输入多输出非线性控制系统，随着对现代无人机性能要求的不断提高，，传统的线性化控制系统设计方法已很难满足实际要求。本文主要研究无人机的非线性控制方法。 首先建立了无人机六自由度数学模型，并仿真分析了系统在无控制下各状态的变化情况，表明系统是极不稳定的。然后研究了非线性动态逆方法，对无人机的数学模型进行分析，设计了无人机内外回路动态逆姿态控制器，并对无人机姿态控制进行仿真，分析了控制器的多变量解耦效果和鲁棒性。表明系统在模型精确的条件下，可以实现精确的线性化控制，但是仍存在鲁棒性不好的缺点。针对非线性动态逆控制的不足之处，提出动态逆结合分数阶PID控制方法。分数阶PID是在传统PID的基础上引入分数阶微积分，文中研究了分数阶的Oustaloup数字实现算法，并比较了其相对于传统PID的优越性。仿真表明将分数阶PID结合动态逆控制方法使系统鲁棒性明显提高。 最后研究无人机的自抗扰控制方法。研究并分析了自抗扰跟踪微分器，扩张状态观测器和多变量解耦控制方法。针对无人机对象设计了内外回路控制，通过反馈线性化实现了多变量解耦控制。仿真分析控制系统的快速性、准确性和风扰动、气动参数摄动下的鲁棒性，表明控制系统在各方面均表现良好的控制性能，满足控制系统设计要求。
【关键词】：无人机 非线性动态逆 分数阶PID 自抗扰控制
【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4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 无人机研究现状及发展趋势10-13
• 1.2.1 国外无人机发展情况10-11
• 1.2.2 国内无人机发展情况11-13
• 1.3 无人机姿态控制方法研究现状13-16
• 1.3.1 非线性控制方法研究13-15
• 1.3.2 分数阶 PID 研究现状15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 第2章 无人机数学模型建立及响应特性分析18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 坐标系定义及坐标转换18-21
• 2.2.1 坐标系定义18-19
• 2.2.2 坐标变换19-21
• 2.3 无人机数学模型建立21-24
• 2.4 无人机气动力和气动力矩24-25
• 2.5 无人机的零输入无控响应特性分析25-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 无人机分数阶 PID 非线性动态逆姿态控制28-48
• 3.1 引言28
• 3.2 非线性动态逆理论分析28-30
• 3.3 无人机动态逆控制设计30-33
• 3.3.1 层叠结构非线性动态逆30-32
• 3.3.2 内外回路控制律设计32-33
• 3.4 动态逆仿真分析33-36
• 3.4.1 动态跟踪特性分析33-35
• 3.4.2 气动参数摄动鲁棒性分析35-36
• 3.5 分数阶 PID 控制研究36-43
• 3.5.1 分数阶微积分定义36-37
• 3.5.2 Oustaloup 算法及其改进算法37-39
• 3.5.3 分数阶 PID 与整数阶 PID 对比39-43
• 3.6 分数阶 PID 内外环控制律结构设计43
• 3.7 基于动态逆的分数阶 PID 姿态控制仿真43-47
• 3.8 本章小结47-48
• 第4章 无人机自抗扰姿态控制方法研究48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 自抗扰控制理论分析48-53
• 4.2.1 跟踪微分器理论48-51
• 4.2.2 扩张状态观测器原理51-53
• 4.3 多变量解耦控制设计53-54
• 4.4 无人机姿态控制器设计54-56
• 4.5 分数阶 PID 自抗扰控制仿真分析56-63
• 4.5.1 动态特性分析56-59
• 4.5.2 风干扰下稳定性分析59-61
• 4.5.3 参数摄动稳定性分析61-63
• 4.6 本章小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文71-73
• 致谢73

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本文编号：377254