单旋翼垂直起降系统的模糊PID控制.pdf

由于旋翼无人机具有续航时间长、垂直起降及应用广泛等特点 其姿态稳定控制是实现日常飞行任务的主要因素 需具备一定抗干扰能力 针对传统 ()控制算法的旋翼无人机姿态抗干扰性弱、鲁棒性及解耦性差等问题 基于模糊比例积分微分控制算法 依托 开放式试验平台 进行了旋翼无人机姿态模糊 控制设计 利用 软件设计控制算法 通过系统建模、仿真调试和试验结果分析表明模糊 控制器比传统 控制速度更快 稳态时间更长 且具有自适应特性 控制参数可随外部环境自动调节 能充分保证控制系统的稳定性关键词:垂直起降系统 姿态控制 模糊 控制 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():().().:近年来 旋翼无人机在民用、消防及军事领域都表现出良好的应用前景 特别在跟踪、救援、农业、林业发展中得到广泛应用 其系统控制方式也由传统遥控控制逐渐向自主控制发展 但由于旋翼无人机在飞行中极易受到外部不利因素的影响 且无人机本身是一个非线性、强耦合及欠驱动的系统 其控制系统参数动态性能及建模存在较大不确定性 对抗干扰能力及调平相应能力具有较高的要求 因此 对天津理工大学学报第 卷 第 期于旋翼无人机位置与姿态控制的准确性与稳定性的研究有着重要的意义与价值 当前 国内外比较广泛应用的控制方法有 比 例 积 分 微 分()控制、反步法、自抗扰控制等针对旋翼无人机控制系统存在外部扰动与不确定性的问题 文中提出一种基于模糊 的姿态控制方法 将系统输入与输出间的误差及其变化率作为模糊控制的输入 通过模糊控制输出 控制所需的比例、积分和微分增益 并在 试验平台中利用 软件设计控制算法 验证模糊 对旋翼飞行器姿态控制效果 开放平台 全 称 为 是一种图形化的编程语言 被工业界、学术界和实验室广泛使用 编程界面丰富灵活 能与多种编程语言相互嵌套 适合验证控制算法有效性 能在短时间内完成复杂的系统设计和调试 文中通过以 为核心的开放性平台 完成对旋翼无人机模糊 控制设计 并采用嵌入式系统开发平台 其核心芯片为 平台 支 持 对 进 行 编 程 可 采 图形化编程方式进行学习开发 搭建与 平台配套使用的各类典型试验对象 平台的总体设计方案如下:()模型分析 通过分析系统 建立小型升降系统数学模型 包括动力学分析及运动学方程 通过计算系统刚度 为控制器参数设计提供理论基础()系统搭建与控制器设计 采用 试验平台搭建小型升降系统()()试验测试与分析 在小型升降系统上 调试经典 控制参数分析性能 基于控制理论和模糊控制理论 建立模糊 控制系统 并进行对比分析 试验方案设计 基于 的试验设计建立升降系统模型 搭建模糊 控制算法 在 软件中完成程序连接 通过与试验平台通信连接达成实际试验调试 试验技术框图如图 所示图 试验技术框图 以 图形化编程为核心 基于小型升降系统模型 利用控制理论 结合 控制算法 建立 控制系统 依据模糊控制逻辑 建立模糊 控制系统 通过 试验平台搭建小型升降系统()进行模拟试验 可较为直观地对 控制算法及模糊规则进行分析 升降系统试验旋翼无人机垂直起降系统是由 公司研制的用于控制的基础设备 该设备的垂直起降试验板连接在一个实心铝臂上 并装有高速直流风扇安全装置 铝臂的另一端连接可调配重 且该设备允许改变配重的位置 铝臂组件围绕单端光学编码器轴枢旋转 编码器用于测量臂的角度与位置即垂直起降的位置与俯仰角度 如图 所示 上位机及 中的控制器用来接收来自风扇的电流信息和铝臂的位置信息 并可向风扇发送控制指令信号 年 月陈嘉齐 等:单旋翼垂直起降系统的模糊 控制图 垂直起降系统组成及运动原理 模型受力分析垂直起降试验臂纵向受力分析如图 所示图 垂直起降试验臂纵向受力分析图 图 中 刚体系统的力矩平衡方程为:()式中:为螺旋桨质量 为配重块质量 为平衡杆的质量 为支撑点到螺旋桨中心的距离 为支撑点到配重块中心的距离 为平衡杆与水平方向夹角推力 由螺旋桨产生 作用方向垂直于风扇推力力矩为:为转轴到螺旋桨中心的长度 就电流而言 当前推力力矩为 为电流推力转矩常数 代入电流推力力矩 则转矩方程为:()螺旋桨产生的力矩与配重块的重力力矩作用方向相同 与设备和风扇组件上的重力力矩相反 当试验臂能在螺旋桨产生的推力作用下保持水平且螺旋桨产生的推力垂直于水平面时 整个系统为平衡状态 在该状态下 系统的力矩方程为:()式中:为系统平衡所需的电流 即平衡电流 运动方程及传递函数模型 由推力矩作用所造成的角运动方程为:()式中:为作用在俯仰轴上的等效惯性力矩 为黏性阻尼系数 为刚度将平衡电流代入式()则角运动方程变为:()相对于连续物体通过积分求转动惯量 在求 个质量的复合物体的转动惯量时 采用转动惯量公式 垂直起降系统的电流位置动态传递函数为:()()()对式()做拉普拉斯变化 求得()/()可得出:式()的分母与 阶传递函数的特征多项式相似 因此 通过确定系统的固有频率求得系统的刚度 控制设计试验装置采用 控制系统回路 如图 所示图 控制回路 垂直起降位置电流关系的传递函数如式()所示 用于设计 控制器 控制器的时域输入输出关系可表示为:()()()式中:为比例增益 为积分增益 为速度增益 速度由测量得出基准位置 同垂直起降位置输出角 的闭环传递天津理工大学学报第 卷 第 期函数为:()()()()()阶特征多项式可表示为:()()()()()式中:为固有频率 为阻尼比 为零点 点的位置按照设计需要进行选择 通常选取 将式()和式()联立 可得控制增益参数为:()模糊 控制设计设计模糊 控制器 可使系统实现更好的控制效果 小型升降系统模糊 控制原理如图 所示图 小型升降系统模糊 控制原理 系统输入与输出间的误差及其变化率作为模糊控制的输入 模糊控制输出 控制所需的比例、积分和微分增益 为建立模糊控制器需选定控制器的输入和输出 选择系统的位置误差及其导数(变化率)作为控制器输入 分别设计以比例、积分及微分增益作为输出的控制器 根据 中比例、积分、微分参数调节经验定义各输入与输出量的宽度为:()设计隶属函数均为三角形函数 模糊控制器的两种输入及一种输出可构建 种控制规律 根据系统及 控制器各增益对误差的影响 每种变量的隶属函数及符号如表 所示 比例增益及积分增益控制规律如表 所示 微分增益控制规律如表 所示表 模糊 隶属参数及符号 输入输出隶属函数符号隶属函数符号负值(大)非常大负值(中)很大负值(小)大中正值(小)小正值(中)很小正值(大)非常小表 比例增益及积分增益控制规律 表 微分增益控制规律 将模糊控制规律导入 软件中 通过变量界面设定所需的输入输出变量、隶属函数及数据宽度 比例环节模糊系统变量如图 所示 经规则界面设定所需的规则后 通过设计器测试系统可观测比例环节输入与输出的关系 如图 所示 将所设计的模糊控制器以.文件导出 在 程序搭建界面 完成输入输出的连接 完成控制设计 年 月陈嘉齐 等:单旋翼垂直起降系统的模糊 控制图 比例环节模糊系统变量 图 比例环节输入与输出的关系 /试验结果及分析 系统搭建与使用在 软件中 通过设计模糊规则并与 控制器连接 构建模糊 控制系统 通过与试验板通信进行模糊 控制试验 对所产生的数据进行采集分析 通过调节输入与输出模糊集合的隶属度函数找到最优控制量 试验结果分析由于垂直起降设备在未进行系统控制状态下 交流风扇与配重块质量不等 所以 铝臂无法保持水平状态 因此 在 内控制器的俯仰角度会呈现负角度状态 及模糊 控制效果如图 所示 控制量误差曲线如图 所示图 及模糊 控制效果 图 控制量误差曲线 由图 可知 通过设定 曲线 曲线第 次到达峰值需 模糊 控制需 模糊 响应更快 且 所达峰值远高于系统期望曲线 会导致系统产生更大的偏转角度 由此可知文中改进的模糊 控制系统更符合系统控制要求根据控制系统第 次达到峰值时 与模糊 所对应的超调量可知 模糊 超调量更小 其稳态时间更长 控制效果更好 结论 针对旋翼无人机的姿态控制 提出一种模糊 控制策略 对飞行器姿态控制进行分析及仿真试验试验结果表明:模糊 相比 控制 飞行器达到控制效果的时间更短 系统第 次达稳态时超调量更小 具有自适应特性 且控制参数可随外部环境自动调节 使系统保持更高稳定性参 考 文 献项松 赵伦 陈虹霖 等.一种无人机旋翼设计方法.航空科学技术 ():.徐春宇 张嘉琪 马继尧 等.基于 的指路天津理工大学学报第 卷 第 期标识视认性测试平台的构建与实现.天津理工大学学报 ():.尹欣繁 车兵辉 章贵川 等.小型旋翼无人机建模及航线控制研究.火力与指挥控制 ():.胡改玲 桂亮 权双璐 等.串联模糊 控制的四旋翼无人机控制系统设计.实验技术与管理 ():.王芳 高雅丽 张政 等.输出误差约束下四旋翼无人机预定性能反步控制.控制与决策 ():.田思庆 侯强 王越男.基于 的“自动控制原理”实验教学平台.电气电子教学学报 ():.管锡敏 张会 吴昭景.基于反步滑模法的四旋翼飞行器的轨迹跟踪.烟台大学学报:自然科学与工程版 ():.刘春玲 宿峰 王巍.四旋翼飞行器的反步滑模控制.控制工程 ():.郭一军.基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制.天津理工大学学报 ():.张昆 张铁民 廖贻泳 等.基于 的无人机飞行状态实时监测评估系统设计.农业工程学报 ():.于朝 王孙清 张杰 等.基于 与 的深潜器舱口盖控制系统设计.自动化与仪表 ():.魏元焜 吴丹阳.基于 的机器视觉搬运车设计.工业仪表与自动化装置 ():.谢檬 南洋.基于 的四旋翼飞行器姿态监测系统设计.计算机测量与控制 ():.():.潘琪 冯宝 徐龙 等.新工科背景下“自动控制原理”实例教学方法探索.教育教学论坛():.刘凯悦 冷建伟.基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪 控 制 .天 津 理 工 大 学 学 报 ():.作者简介:陈嘉齐()男 硕士研究生 研究方向:智能控制、电力负荷预测:谷海青(通信作者)()男 实验师 博士 研究方向:智能控制、自抗扰控制: