技术特征：1.三自由度直升机的增益调度控制方法，包括如下步骤：步骤1.建立三自由度直升机系统的LPV模型；1.1，根据三自由度直升机系统的运动特性能够分析其受力情况，首先建立高度轴运动方程。直升机前后电机带动螺旋桨，产生的升力分别为Ff与Fb，升力之和为Fm＝Ff+Fb，前后螺旋桨质量相同，mf＝mb，配重块质量为mw。根据力矩平衡方程能够得到：Jzϵ..=KfLa(Uf+Ub)cos(p)-Tbcos(ϵ)---(1)]]>Tg为有效重力矩，代表配重块与螺旋桨质量对力矩的影响，表示如下：Tg＝mfgLa+mbgLa-mwgLw(2)重力矩是一个常数，而且通过式2可以看出，当我们加长配重块到旋转轴之间的距离Lw就可以消除它的影响，因此建立高度轴运动方程时可以忽略其影响。最后得到高度轴运动方程如下：ϵ··=KfLa(Uf+Ub)Jϵ---(3)]]>为高度轴的旋转加速度；ε为高度角；p为俯仰角；g为重力加速度；Jε为高度轴的转动惯量，单位是Kg·m2；Kf为电机推力系数，单位为N/V；Uf和Ub分别为前后电机的控制输入电压，单位为V；mf为螺旋桨的质量，单位为Kg；mw为配重块的质量，单位为Kg；La为旋转轴到电机的距离，单位为m；Lw为旋转轴到配重块中心的距离，单位为m。1.2，俯仰角的变化是靠两个电机的电压差实现的，当电机存在电压差时，俯仰轴与水平线会存在一个夹角，电机产生的水平方向的力能够引起旋转角的变化。但是对于俯仰角度的控制，却与直升机当前的高度和旋转的角度是无关的，这也说明了当直升机处于运动状态中，我们选择的参数变化时，关于俯仰角的控制策略是不变的。建立俯仰轴运动方程如下：Jpp··=KfLh(Uf-Ub)---(4)]]>为俯仰轴的旋转加速度；Jp为俯仰轴的转动惯量，Jp＝2mfLh2，单位是Kg·m2；Lh为俯仰轴到电机中心的距离，单位是m。1.3，同高度轴和俯仰轴类似，建立旋转轴初始运动方程如下所示：Jλλ··=KfLa(Uf+Ub)cos(ϵ)sin(p)+KfLh(Uf-Ub)sin(ϵ)---(5)]]>在这里不能再忽略高度角和俯仰角对旋转角的控制影响，旋转角的变化与它们存在着耦合关系。当我们对旋转角进行控制时，依靠的是俯仰角度的改变，形成横向作用力，实际应用中为了系统稳定性考虑，产生的俯仰角度p是很小的，其实p≈sin(p)，为了能准确地建立LPV模型，将运动方程化为如下形式：λ··=KfLa(Uf+Ub)cos(ϵ)Jλp+KfLh(Uf-Ub)sin(ϵ)Jλ---(6)]]>为旋转轴的旋转加速度；ε和p分别为高度角和俯仰角；Jλ为俯仰轴的转动惯量，Jλ＝2mfLh2+2mfLa2+mwLw2，单位是Kg·m2。1.4，为了建立三自由度直升机系统的LPV模型，我们定义状态变量x和输入参数u分别如下(7)-(8)所示：xT=ϵpλϵ··p··λ··---(7)]]>uT＝[UfUb](8)xT,uT分别为x,u的转置，定义yT输出为高度角、俯仰角和旋转角的矩阵：yT＝[εpλ](9)最后根据各个轴的运动方程，建立起的直升机LPV模型如下：x·=Ax+Buy=Cx+Du---(10)]]>其中：A=0001000000100000010000000000000(2mfLa-mwLw)gJλcos(ϵ)0000]]>B=000000KfLaJϵKfLaJϵKfLhJp-KfLhJp00C=100000010000001000D=000000]]>查阅三自由度直升机技术手册，可以得到各个系统参数的值，随之能够计算得到各个轴的转动惯量。其中：Kf＝0.1188(N/V)mf＝0.713(Kg)mw＝1.87(Kg)La＝0.660(m)Lh＝0.178(m)Lw＝0.470(m)Jε＝1.034(Kg·m2)Jp＝0.045(Kg·m2)Jλ＝1.079(Kg·m2)步骤2.设计并应用增益调度控制器2.1，根据步骤1得到三自由度直升机系统的LPV模型，在MATLAB中建立被控系统的计算机模型，为得到增益调度控制器参数做准备，所建立的计算机模型以M语言表示如下：％定义S_0A_0＝[000100；000010；000001；000000；000000；000000]；B_0＝[00；00；00；0.07580.0758；0.4680-0.4680；00]；C_0＝[100000；010000；001000]；D_0＝[00；00；00]；S_0＝ltisys(A_0,B_0,C_0,D_0)；％定义S_p1A_p1＝[000000；000000；000000；000000；000000；00.56580000]；B_p1＝[00；00；00；00；00；00]；C_p1＝[000000；000000；000000]；D_p1＝[00；00；00]；S_p1＝ltisys(A_p1,B_p1,C_p1,D_p1,0)；由于在实际系统中俯仰角不是任意变化的，当俯仰角较大时，直升机系统旋转角变化速率过快，易导致系统不稳定，因此这里规定俯仰角变化范围为[-π/6,π/6]，即可变参数θ∈[0.866,1]，θ＝cos(ε)，且认为可变参数速率建立的直升机系统模型pds_hel如下：％定义参数变化范围range＝[0.8661]；rate＝[-0.50.5]；pv＝pvec('box',range,rate)；pds_hel＝psys(pv,[S_0S_p1])；2.2，设计三自由度直升机系统闭环反馈回路，并选择适当的权重函数，加上权重函数后的三自由度直升机闭环系统。选择权重函数并通过M语言建立反馈回路如下：[pdP,nmc]＝sconnect('r(3)','e1＝r(1)-G(1)；e2＝r(2)-G(2)；e3＝r(3)-G(3)；K','K:e1；e2；e3','G:K',pol_hel)；其中每一个参数均以引号隔开，意义如下：①第一个参数r(3)代表输入信号，同时也指出输入信号的维数。这个系统中只有唯一的输入信号，就是标量参考信号r(3)。②第二个参数分成4部分，分别是e1＝r(1)-G(1)，e2＝r(2)-G(2)，e3＝r(3)-G(3)以及K。因为我们需要观测系统状态，前面3个部分代表参考信号和直升机系统输出之间的差值，第4部分则代表控制输入u。③第三个参数K:e1；e2；e3不仅定义了控制器的名字，同时也为其指定了输入，控制器输入即为参考信号和直升机输出之间的差值。④其余参数都是成对出现的，并且为回路中的系统定义了输入列表和系统矩阵。G:K表明直升机系统G的输入是控制器K的输出，pol_hel即为系统状态空间模型的多胞形式，可由仿射参数依赖模型转换而来。2.3，计算增益调度控制器参数，搭建控制器Simulink模块。相应的控制器参数能够通过以下语句计算得到：[gopt,pdK]＝hinfgs(Paug,nmc)其中pdK中即包含了增益调度控制器的各个参数。2.4，在Simulink中连接控制器模块与三自由度直升机模块，构成反馈回路。三自由度直升机整体硬件构成包括直升机主体、计算机系统、数据采集卡、功率放大器、控制手柄与急停开关。此时能够通过MATLAB给定跟踪信号，经计算机计算得到控制电压后联动官方软件QuaRC将数据写入数据采集卡，然后控制信号流经功率放大器，直接对直升机主体进行控制。外部的数据采集卡还会读取各个自由度编码器数值，作为半实物仿真平台的反馈信息，使整个系统构成闭环回路。当前第2页1 2 3