硕士论文三轴式旋翼飞行器鲁棒控制器设计与仿真.pdf

中图分类号:V275+.1 论文编号:1028701 12-S207
学科分类号:082501


硕士学位论文

三轴式旋翼飞行器
鲁棒控制器设计与仿真


研究生姓名吴平
学科、专业飞行器设计
研究方向直升机控制与仿真
指导教师徐锦法教授


南京航空航天大学
研究生院航空宇航学院
二О一二年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Aerospace Engineering

Robust Controller Design and Simulation
for a Tri-Rotor Aircraft

A Thesis in
Flight Vehicle Design

by
Wu Ping
Advised by
Prof. Xu Jinfa

Submitted in Partial Fulfillment

of the Requirements

for the Degree of

Master of Engineering

March, 2012
承诺书

本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致
谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位
或证书而使用过的材料。
本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部
分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)





作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
微小型旋翼飞行器是一种结构简单、飞行控制方式独特且可以垂直起降的飞行器形式,具
有广阔的应用前景。目前,人们对旋翼飞行器的研究日趋成熟。其中,飞行器模型的建立和飞
行控制系统的设计是研究的主要问题。
本文针对新型三轴式双旋翼飞行器,根据牛顿定律和欧拉方程,推导建立了其六自由度非
线性方程,并重点分析讨论了其控制策略,给出了最终的控制对象模型。然后,采用经典的 PID
控制方法分别设计了飞行器的姿态控制器和轨迹控制器,并验证了其控制效果。
三轴式双旋翼飞行器是一个MIMO欠驱动系统,具有非线性、耦合等动力学特性。因此,
为了实现更高效、更精确的控制,本文设计了基于动态逆的鲁棒控制器。首先,采用非线性动
态逆方法,按照状态变量变化的快慢,将系统分为角速率回路、姿态角回路以及轨迹回路,并
分别设计了飞行器的姿态回路控制器和轨迹回路控制器。仿真结果说明,在该控制系统作用下,
系统具有良好的解耦性和稳定性。但是,动态逆控制器的鲁棒性较差,对模型的准确度要求较
高。因此,本文在其基础上引入回路成形鲁棒控制器,设计了姿态回路鲁棒控制器和轨迹回
路鲁棒控制器。通过选择适当的权函数,对原系统进行回路成形,改善系统的开环奇异值函数
曲线特性,然后求解得到鲁棒镇定控制器,使得闭环系统具有良好的鲁棒性能和鲁棒稳定性。
仿真验证表明,在鲁棒控制系统作用下,系统具有良好的悬停性能、跟踪性能、抗扰动性能和
鲁棒性能。

关键词:旋翼飞行器,飞行控制,建模,动态逆, 控制,回路成形

i
三轴式旋翼飞行器鲁棒控制器设计与仿真
ABSTRACT
Tri-Rotor UAV is a kind of simple, unique UAV, which has availabilities in vertical takeoff and
landing. So it has broad applications in both military and civilian areas. In recent years, the research
on small rotor UAVs is ing more and more mature. Especially, the mathematical modeling and
the control system design of the UAV are the main problems.
In this paper, a small Tri-Rotor UAV has been c