考虑执行器饱和的四旋翼无人机控制系统设计

发布时间：2017-08-21 00:23

  本文关键词：考虑执行器饱和的四旋翼无人机控制系统设计

  更多相关文章： 四旋翼无人机 控制系统 嵌套饱和 非线性控制 全局镇定

【摘要】：四旋翼飞行器用途广泛,成本低,效费比好,机动性能好,使用方便,在现代战争中有极其重要的作用,在民用领域更有广阔的前景。四旋翼无人机技术近几年发展迅速,控制技术也是研究热点。PID控制、LQR控制、反馈线性化、反步法等控制方法层出不穷。由于物理上的限制和出于安全的需要,几乎所有的控制系统都受到了执行器饱和的限制。四旋翼无人机亦是如此,而且执行器饱和对控制系统的整体稳定性有着重要的影响。本文就考虑执行器饱和的四旋翼无人机控制系统进行研究。为了避免约束力在方程中出现,用分析力学方法建立四旋翼无人机数学模型,从而在很大程度上克服了矢量力学所面临的困难。该模型是具有四个输入六个输出的欠驱动多耦合非线性数学模型。将该系统分为四个通道分别进行控制,分别是高度方向、偏航方向、俯仰方向和横滚方向。对于高度和偏航两个通道,直接利用PD控制律进行控制。对俯仰和横滚两个通道,由于它们的模型具有典型的多积分器特征,本文设计了基于嵌套饱和非线性函数的控制律。首先,基于线性化模型的控制器设计。在将原非线性系统变换并且线性化处理后,该方法可以全局镇定线性化后的系统,局部镇定原非线性系统。在设计控制律的过程中,对允许的最大控制信号(即饱和值)都不作限制,可以自由选择参数提高系统的动态性能。仿真结果显示,原非线性系统在该控制律的作用下有较好的动态响应。其次,考虑到上述方法对原系统做了线性化处理,只能保证在初始值比较小的情况下对原非线性系统有较好的控制效果。由此本文又提出了基于非线性模型的的控制方法,该方法可以全局镇定原非线性系统,对允许的最大控制信号(即饱和值)都不作限制,可以自由选择参数来提高系统的动态响应性能。仿真结果显示,嵌套饱和非线性控制律可以使原非线性系统较快收敛,而且超调小。综上,本文所设计的嵌套饱和的控制方法对于具有执行器饱和的四旋翼无人机控制系统具有超调小、收敛快等优良的控制性能。
【关键词】：四旋翼无人机 控制系统 嵌套饱和 非线性控制 全局镇定
【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】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景和意义9-10
• 1.2 四旋翼无人机研究现状10-12
• 1.3 四旋翼无人机控制方法研究现状12-13
• 1.4 具有饱和非线性控制系统的研究方法与现状13-14
• 1.5 主要研究内容与各章安排14-16
• 第2章 预备知识16-21
• 2.1 引言16
• 2.2 分析力学基础知识介绍16-17
• 2.3 非线性系统相关概念17-18
• 2.4 Teel变换与Teel标准型18-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 四旋翼无人机数学模型的建立21-26
• 3.1 引言21
• 3.2 飞行原理介绍21-22
• 3.3 坐标系定义22-23
• 3.4 模型建立23-25
• 3.5 本章小结25-26
• 第4章 基于线性化模型的控制器设计26-38
• 4.1 引言26
• 4.2 相关引理及定理介绍26-27
• 4.3 控制律设计27-31
• 4.3.1 高度和偏航控制律设计27-28
• 4.3.2 俯仰通道控制律设计28-30
• 4.3.3 横滚通道控制律设计30-31
• 4.4 仿真结果分析31-36
• 4.5 本章小结36-38
• 第5章 基于非线性模型的控制器设计38-71
• 5.1 引言38
• 5.2 俯仰通道控制系统的控制律设计38-51
• 5.2.1 变换系统为前馈型非线性系统38-39
• 5.2.2 变换为Teel标准型系统39-40
• 5.2.3 建立控制律工作在线性区的条件40-48
• 5.2.4 建立控制律全局镇定系统的条件48-50
• 5.2.5 选择参数设计控制律50-51
• 5.3 横滚通道控制系统的控制律设计51-65
• 5.3.1 变换系统为前馈型非线性系统51-52
• 5.3.2 变换为Teel标准型系统52-54
• 5.3.3 建立控制律工作在线性区的条件54-62
• 5.3.4 建立控制律全局镇定系统的条件62-64
• 5.3.5 选择参数设计控制律64-65
• 5.4 仿真结果分析65-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-78
• 致谢78

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈永辉,高名园,陈永红;我国执行器的现状及发展趋势[J];电力建设;2001年11期

2 张庆思;王克成;李福云;;速度反馈在执行器中的应用[J];中国仪器仪表;2005年12期

3 秦志民;;浅析电磁执行器简明设计要点[J];移动电源与车辆;2006年03期

4 ;扩大执行器的选择范围[J];工业设计;2009年11期

5 李绪凯;;控制流量的电动直行程执行器[J];自动化仪表;1981年06期

6 梁忠;;数字执行器简介[J];自动化仪表;1981年06期

7 师耀哲;;轴踵摩擦在执行器中的特殊效用[J];自动化仪表;1990年09期

8 刘建波;伺放特性改进和执行器反向制动[J];工业仪表与自动化装置;1999年03期

9 梦贫,周泉;汽车用执行器中的电控阀(Ⅰ)[J];汽车电器;2000年01期

10 苏海东;执行器的分类与发展[J];机械工程与自动化;2004年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张兵;吴宏鑫;;单向执行器系统配置的完整性[A];1998年中国控制会议论文集[C];1998年

2 张立影;;300MW机组风机执行器改造分析[A];全国火电300MWe级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集[C];2010年

3 付玉林;陈远玲;;两种柴油机电液执行器的比较研究[A];第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集[C];2008年

4 宦荣华;朱位秋;;计及执行器饱和的滞迟系统的非线性随机最优控制[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

5 ;天津市津达执行器有限公司[A];《电站信息》2013年第07期[C];2013年

6 王冲宇;程世业;李海涛;曹文花;;200MW制粉系统Bernard ST6执行器摆动的原因分析及处理[A];全国火电200MW级机组技术协作会第二十三届年会论文集[C];2005年

7 冯长水;朱位秋;;计及执行器饱和的宽带激励下非线性振动统的随机最优控制[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

8 陈娇蓉;蔡胤;刘飞;;具有饱和执行器的Markov跳变系统H∞控制[A];第25届中国控制会议论文集（中册）[C];2006年

9 王会义;于良耀;宋健;;汽车主动安全控制液压执行器[A];第四届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2006年

10 梁国欣;郭晶晶;;智能电液执行器研究[A];全国冶金自动化信息网2014年会论文集[C];2014年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 周嘉铨;发展执行器应走电度表之路[N];中国工业报;2003年

2 记者 曾立 实习生 左秀;“川仪造”执行器打破国外企业垄断[N];重庆日报;2012年

3 李文;提升运行效率 降低运营成本[N];中国煤炭报;2008年

4 蔡绮芝 DigiTimes;传感器、执行器市场年增长19%[N];电子资讯时报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 徐飞;循轨摩擦振动执行器的机理与运行特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 杜景林;无线传感器与执行器网络弱连接性相关问题研究[D];南京大学;2013年

3 易军;无线传感器/执行器网络协作算法研究[D];重庆大学;2010年

4 董维杰;压电自感知执行器理论与应用研究[D];大连理工大学;2003年

5 徐哲壮;面向突发事件的无线传感器/执行器网络传输机制研究[D];上海交通大学;2012年

6 莫磊;无线传感器/执行器网络协同感知与控制研究[D];华南理工大学;2013年

7 闫敬;无线传感器/执行器网络中目标捕获的控制策略研究[D];燕山大学;2013年

8 崔玉国;压电陶瓷自感知执行器及其驱动微动工作台控制方法的研究[D];大连理工大学;2003年

9 杨志欣;微小管道机器人用惯性式压电执行器的研究[D];大连理工大学;2008年

10 刘慧芳;超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究[D];大连理工大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨杰;无线传感器与执行器网络拓扑修复机制研究[D];昆明理工大学;2015年

2 杨家伟;基于无线传感器/执行器网络的智能灯光控制研究[D];华南理工大学;2015年

3 郑若钦;无线传感器与执行器网络中节点协作相关问题研究[D];南京信息工程大学;2015年

4 唐南君;旋转—直线永磁执行器运行机理研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

5 吴杨;执行器饱和约束下的无人飞行器的镇定控制设计[D];南京邮电大学;2015年

6 李劲涛;大扭矩电液执行器液压系统设计及结构强度分析[D];辽宁科技大学;2015年

7 江国栋;基于超精密定位的压电陶瓷驱动及其控制技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

8 李科迪;机器人去毛刺浮动式执行器设计及分析[D];浙江大学;2016年

9 道欣;双级执行器系统的反演滑模控制方法研究[D];浙江理工大学;2016年

10 沈凡杰;具有饱和执行器系统的控制方法研究[D];沈阳师范大学;2016年

，

本文编号：709763