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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