哈工大_控制系统实践_直升机实验报告
三自由度直升机系统 试验指导书 钱玉恒 杨亚非编 哈尔滨工业高校 航天学院限制科学与工程系 2010年5月 目 录 第一章 绪论 1.1 试验背景2 1.2 三自由度直升机系统试验装置简介. 2 其次章 数学模型的建立 2.1 俯仰轴数学模型分析……………………………………………………5 2.2 横侧轴数学模型分析……………………………………………………6 2.3 旋转轴数学模型分析……………………………………………………6 2.4 直升机数学模型简化……………………………………………………7 2.5 直升机数学模型方程组及传递函数建立………………………………7 2.6 系统状态空间数学模型的建立…………………………………………7 2.7 螺旋桨电机给定电压的推导……………………………………………8 第三章 限制器设计 3.1 PID限制器设计……………………………………………………………9 3.2 状态空间限制器设计…………………………………………………….14 3.3 LQR原理与PID原理的比较…………………………………………….19 第四章 限制算法的实物验证试验 4.1 系统基本参数和特性…………………………………………………….20 4.2 PID限制器的实物试验………………………………………………22 4.3 LQR限制器的实物试验………………………………………………….25 4.4 模糊限制器的实物试验………………………………………………….27 4.5 三种限制策略性能的横向比较………………………………………….36 第一章 绪论 1.1 试验背景 1. 1.1 试验来源 试验基于固高科技有限公司GHP三自由度直升机限制试验系统,这是一个自动限制和航空航天试验系统。该系统是探讨直升机飞行限制技术的平台,它主要由电机、电机驱动器、位置编码器、运动限制器及接口板等元件组成。系统可分为直升机试验本体、电控箱及由运动限制卡和机组成的限制平台等三大部分。 1.1.2 试验目的和意义 该系统是一个典型的多输入多输出系统(),能把限制直升机飞行姿态和速度算法在平台上试验,用于实现各种限制算法验证。例如、、和模糊限制等限制算法均可以平台上试验。 1.1.3 试验探讨及分析 本系统的特点为多输入/多输出、非线性、强交叉耦合性、传递函数和状态方程不易描述,为限制系统中较为困难的被控对象。虽然人们在飞行器方面进行过各种算法探讨,但大多数探讨只局限于仿真平台,仍未摆脱试验对象的志向化模式。 此系统不仅具备直升机动力系统和电子限制装置的原理特征,还具备试验性强、试验现象直观的特点。经过试验装置具体分析,系统能建立数学模型。可设计限制器、限制器、模糊限制器等限制策略,实现对系统俯仰和旋转的限制。 1.1.4 试验内容 依据直升机试验平台,分析系统特征(典型多输入- 多输出特性、非线性和强交叉耦合性),建立系统数学模型,并设计、、和模糊限制等限制器,用进行仿真,在限制策略的指导下,实现对直升机实物对象的俯仰和旋转限制。 1.2 三自由度直升机系统试验装置简介 图1-1直升机试验系统简图 限制平台(运动限制卡和机)、直升机试验本体、电控箱三大部分组成。 1.2.1 三自由度直升机系统试验本体 图1-2 系统试验本体 (1)螺旋桨与电机 直升机本体末端安装了两个螺旋桨,螺旋桨由两个无刷直流电机来驱动产生动力。螺旋桨作用是产生升力或侧旋力,其运动主要靠螺旋桨转速和转速差来限制姿态。 (2)编码器 安装在支点和两个螺旋桨中心的编码器能测量直升机俯仰角和横测角,基座转轴处的编码器测量旋转速度。 (3)系统试验箱 电控箱内安装有如下主要部件: DC24V/6A直流开关电源、电机驱动器、运动限制卡接口板、电源开关等; 1.2.2 限制平台硬件 IBM PC/AT兼容的机,带总线插槽; GT400-SV-PCI运动限制卡; 1.2.3 限制平台软件 (1) 固高系统实时限制软件简介 基于在教学和工程试验领域广泛应用的平台,固高的三自由度直升机系统实时限制软件平台,使该系统的限制试验和先进算法探讨变得无比轻松,不用驾驭编程语言(典型的如C语言)就能做限制理论试验,便于将精力集中在限制算法探讨上,而不是探讨很深的硬件接口等内容,该软件能把系统建模、仿真和实时限制整合在一起,其仿真结果无需太多修改就能在实际物理设备上进行试验验证。 (2)实时限制软件包括的组件 固高GT-400-SV运动限制器基本模块; 固高三自由度直升机系统的俯仰和旋转的实时限制程序; (3)实时限制软件的特点 实控软件采纳了的实时工具箱()实现限制任务,专用的实时内核代替操作系统接管了实时限制任务,软件试验平台具有如下特点: ◆ 系统建模、仿真、实时限制一体化界面; ◆ 基于的图形化操作界面,解决了下对限制的高实时性要求; ◆ 具有良好的限制界面,积木式搭建限制算法; ◆ 实时地在线修改或者调整参数; ◆ 便利对各个输出在线进行视察和记录。 1.2.4 软件总体设计 要实时限制采集直升机飞行姿态的各项数据,且实时限制直升机飞行姿态,其软件在设计时要尽量考虑软件运行的实时性、牢靠性和稳定性。处理流程如下表所示: 程序结构由下图所示: 主程序 GHC.cpp 整个程序的入口; 人机界面程序 Face.cpp 主要负责人机对话,各种流程和界面; 实时显示程序 Draw.cpp 显示直升机飞行姿态的各项数据; 实时限制程序 Ctrl.cpp 负责飞行数据采集、计算和对电机限制; 硬件接口程序 SV_PCI.cpp 负责限制卡交换数据。 其次章 数学模型的建立 2.1 俯仰轴数学模型分析 图2-1 俯仰轴的动力学示意图 由图知,俯仰运动转矩由两个螺旋桨电机产生的升力F1和F2来产生,其升力为Fh=F1+F2。当升力Fh供应的转矩大于阻力转矩时,直升机上升,反之直升机下降。假定直升机悬在空中,俯仰角保持水平状况,即俯仰角为+30度(本系统定义+30度角为俯仰轴的水平位置)。 其俯仰运动的动力学平衡方程: