无人机飞行PID控制及智能PID控制技术研究

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无人驾驶飞机(UAV)广泛的应用价值、尤其是在军事上的重要性已经得到国内外的高度重视,而无人机飞行控制系统是无人机能够安全、有效地完成复杂战术/战略使命的基本前提,因此迫切需要加强该领域的研究工作。 本文主要利用常规PID控制和智能PID控制的理论来研究无人机飞行控制律的设计。 首先,建立无人机对象模型。在前苏联体制下,建立无人机六自由度十二阶非线性微分方程,并对模型进行线性化,得到无人机的纵向和侧向线性化方程。 接着,介绍了所采用的常规PID和智能PID控制的思路和方法,以及如何将智能PID应用于无人机飞行控制律设计。 然后,针对纵向控制系统,研究了其组成和控制方案,分别用常规PID和智能PID方法设计了纵向俯仰姿态保持、高度保持模态的控制律,并对两种控制方法的控制效果进行了对比。 最后,针对横侧向控制系统,研究了其组成和控制方案,用常规PID控制方法分别设计了倾斜姿态保持/控制模态、航向保持/控制模态及协调转弯控制模态的控制律。 大量的仿真结果表明,本文设计的无人机常规PID控制律是有效的,设计的智能PID控制律也显示出其优越性。
1 绪论第7-11页
    1.1 研究背景、目的及意义第7-8页
    1.2 无人机飞行控制的发展和现状第8-10页
    1.3 本课题的主要任务第10-11页
2 无人机模型的建立第11-26页
    2.1 假设条件第11页
    2.2 各种坐标系、飞机运动参数及操纵机构第11-14页
        2.2.1 各种坐标系第11-13页
            2.2.1.1 地面坐标系AX_dY_dZ_d第11-12页
            2.2.1.2 机体坐标系OX_tY_tZ_t第12页
            2.2.1.3 速度坐标系(气流坐标系)OX_qY_qZ_q第12-13页
        2.2.2 飞机运动参数第13-14页
            2.2.2.1 姿态角第13页
            2.2.2.2 向量与机体坐标系的关系第13页
            2.2.2.3 飞机速度向量与地面坐标系的关系第13-14页
        2.2.3 控制量与被控量第14页
    2.3 苏联体制下十二阶非线性模型的建立过程第14-19页
        2.3.1 动力学方程组第14-16页
        2.3.2 通过坐标变换确定的运动学方程组第16-19页
            2.3.2.1 角位置运动学方程组第16页
            2.3.2.2 线位置的运动学方程组第16-19页
    2.4 无人机动力学/运动学方程的线性化第19-23页
        2.4.1 完整的侧向原始微分方程第19页
        2.4.2 侧向运动方程式的线性化第19-22页
        2.4.3 线性化侧向运动方程式的状态空间表达式第22-23页
        2.4.4 线性化纵向运动方程式的状态空间表达式第23页
    2.5 英美体制下飞机的数学模型第23-25页
    2.6 本章小结第25-26页
3 常规PID到智能PID的思路和方法第26-35页
    3.1 常规PID控制第26-28页
    3.2 常规PID控制器参数整定方法第28-29页
        3.2.1 临界比例度法第28页
        3.2.2 衰减曲线法第28-29页
    3.3 非线性智能PID控制的设计思想第29-32页
        3.3.1 专家式智能PID控制第31页
        3.3.2 智能PID自学习控制系统第31页
        3.3.3 神经网络PID控制第31页
        3.3.4 模糊PID控制第31-32页
        3.3.5 本文所研究的智能PID的特点第32页
    3.4 无人机智能PID控制算法设计的思路第32-34页
    3.5 本章小结第34-35页
4 纵向控制律的分析与设计第35-50页
    4.1 飞行控制系统结构分析第35-36页
        4.1.1 飞行控制系统模态第36页
    4.2 纵向控制系统的设计方案第36-37页
        4.2.1 设计方案第36-37页
    4.3 俯仰姿态保持模态下的常规PID和智能PID控制律设计第37-46页
        4.3.1 俯仰姿态控制结构第37-38页
        4.3.2 常规PID和智能PID飞行控制律设计思路第38-39页
            4.3.2.1 常规PID飞行控制律设计思路第38-39页
            4.3.2.2 智能PID飞行控制律设计思路第39页
        4.3.3 低空俯仰角保持的控制律设计第39-43页
        4.3.4 高空俯仰角保持的控制律设计第43-44页
        4.3.5 高高空俯仰角保持的控制律设计第44-46页
    4.4 高度保持/控制模态控制律的设计和仿真第46-49页
        4.4.1 控制结构和控制策略第46-47页
        4.4.2 常规PID和智能PID控制律的设计和对比第47-49页
    4.5 本章小结第49-50页
5 横侧向控制律的分析和设计第50-59页
    5.1 横侧向控制系统的组成和设计方案第50页
    5.2 倾斜姿态保持/控制模态第50-52页
    5.3 航向保持/控制模态控制律设计第52-55页
    5.4 协调转弯第55-58页
    5.5 本章小结第58-59页
结束语第59-60页
致谢第60-61页
参考文献第61-62页
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