无人机飞行控制系统纵向控制律设计及仿真

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无人机纵向H∞状态反馈控制律设计及仿真

器，并进行了数字仿真验证。以无人机纵向运动中俯仰控制通道的等俯仰角爬升模态为例，给出了设计过程和结果，并与
ＰＩＤ控制器的控制效果进行比较，表明Ｈ。控制器有更好的控制效果，它可以兼顾系统响应的动态和稳态性能，有效地解决
了ＰＩＤ控制器设计中某些性能指标相互矛盾的问题。
关键词：控制；状态反馈；无人机；广义被控对象；仿真
以俯仰角控制回路为例，由于无人机飞行过程中经常处于爬升、下滑状态，俯仰角控制回路的目的就是当控制系统
接通后力图保持系统输出俯仰角为给定值。针对无人机在弹
射结束进入自主飞行的初始状态俯仰角过大导致系统不稳
定的状况，设计的控制器应使系统响应在精确跟踪给定俯仰
角的基础上有较小的超调。根据控制目的，选择优＝痧。一毋作为评价指标。为了将参考信号引入到系统中，同时准确跟踪给定俯仰角秽，将俯仰角误差的积分优＾选为状态变量。
１引言随着控制理论的不断发展，对被控对象的性能指标提出
越来越高的要求。针对无人机数学模型复杂、控制精度要求高且调参时各性能指标相互制约的特点，采用传统的控制算法不仅调参困难，而且很难达到期望的控制效果，仿真结果和实际飞行结果也存在较大的差异¨．２Ｊ。
２０世纪８０年代提出的以系统的Ｈ。范数为性能指标的Ｈ。控制理论是目前发展比较成功且比较完善的理论体系，已成为近２０年来自动控制理论及工程应用研究的热门课题之一日Ｊ。Ｈ。控制理论考虑了实际系统与标称数学模型间的不确定性，并在模型不确定性和外干扰存在的条件下保证设计的反馈控制系统稳定，且满足一定的性能要求。为了准确地跟踪参考输入信号，本文提出将跟踪信号误差的积分选为
５．４９８０
２９．５５１１
—２１５．２３８５ —２．４１１９
０．００３６．

无人机飞行控制算法设计与仿真分析

无人机飞行控制算法设计与仿真分析近年来，随着无人机技术的不断发展和应用需求的增长，无人机飞行控制算法的设计与仿真分析成为了一个热门的研究领域。

本文将深入探讨无人机飞行控制算法的设计原理和仿真分析方法。

无人机的飞行控制算法是指通过计算机对无人机进行精确的控制，使其能够稳定、准确地执行特定的飞行任务。

飞行控制算法的设计主要包括姿态控制、航迹控制和高度控制等方面。

其中，姿态控制是无人机最基本的控制方式，它以无人机的姿态为基准，通过引导飞行器的前后左右、上下运动来实现机体的平稳飞行。

航迹控制则是无人机在飞行过程中按照预定的路径进行规划和执行，通过不断优化路径规划算法来达到更高的飞行效率。

高度控制则是指在飞行过程中对无人机的高度进行精确控制，保持其稳定飞行在特定的高度。

设计一个高效、稳定的无人机飞行控制算法是一个复杂的工程问题。

首先，需要了解无人机的基本飞行原理和飞行动力学模型，以便于根据其特性进行合理的控制。

其次，需要选择合适的控制策略，常用的控制策略包括PID控制、模糊控制和自适应控制等。

PID控制是一种常用的控制方法，通过调节比例、积分和微分参数来实现对飞行器稳定性的控制。

模糊控制则是一种基于模糊推理的自适应控制算法，通过模糊规则库将模糊输入映射成模糊输出，从而实现对飞行器的控制。

自适应控制则是一种根据飞行器的动态变化自动调整控制策略的方法，通过对飞行器状态进行实时监测和分析，自动调整控制参数，从而实现对飞行器的精确控制。

在设计好无人机飞行控制算法后，需要进行仿真分析来验证该算法的有效性和性能。

仿真分析可以将设计的算法应用到虚拟的飞行场景中进行模拟，通过对飞行器的各项指标进行评估，来判断控制算法的稳定性和性能是否达到要求。

常用的仿真软件有MATLAB、Simulink、ROS等，通过建立适当的数学模型，并结合算法设计和控制策略，进行飞行场景的模拟和性能评估。

除了仿真分析，实际的物理试验也是验证无人机飞行控制算法有效性的重要手段。

无人机控制系统设计与仿真

无人机控制系统设计与仿真无人机（Unmanned aerial vehicle, UAV）作为一种自主飞行的飞行器，在日常生活和工业领域中被广泛应用。

为了确保无人机的安全飞行和高效任务执行，优秀的无人机控制系统设计与仿真是非常重要的。

一、无人机控制系统设计无人机控制系统的设计主要包括飞行控制系统和通信控制系统两个方面。

1. 飞行控制系统设计：无人机飞行控制系统是确保飞行器平稳飞行、包括航向、高度和速度控制在内的关键。

设计一个稳定可靠的飞行控制系统需要以下步骤：a) 确定飞行器的动力学模型：通过数学建模，从物理角度描述无人机的运动特性。

b) 设计控制器：基于动力学模型，选择适当的控制器类型（如PID控制器、模糊控制器或模型预测控制器），设计控制器的参数，并利用控制理论方法进行系统稳定性分析。

c) 构建控制系统：根据控制器设计结果，建立整个飞行控制系统，包括传感器、执行器、控制算法等元素的组合，将信号传递和处理流程定义清楚。

2. 通信控制系统设计：无人机通信控制系统是实现与地面控制站之间的通信和数据传输的关键。

设计一个可靠的通信控制系统需要以下步骤：a) 确定通信协议：根据任务需求和无人机特性，选择适当的通信协议（如Wi-Fi、蓝牙或Zigbee），考虑到通信距离和数据传输速率等因素。

b) 设计通信模块：根据通信协议，设计通信模块的硬件和软件，包括天线、无线模块和数据传输协议等元素。

c) 构建通信系统：根据通信模块设计结果，建立整个通信系统，包括无人机上的通信模块和地面控制站上的通信模块。

二、无人机控制系统仿真无人机控制系统的仿真是在计算机环境中模拟和评估无人机飞行控制的有效方法。

通过仿真可以降低测试和调试的成本，并提前评估控制系统的性能。

1. 仿真平台选择：选择合适的仿真平台是进行无人机控制系统仿真的第一步。

常用的无人机仿真平台包括MATLAB/Simulink、dronekit和PX4等。

2. 建立仿真模型：根据实际无人机的动力学模型和控制系统设计结果，利用选择的仿真平台建立无人机的仿真模型。

某小型无人机近地飞行纵向控制律的设计与仿真

２０１４．０７
兵工自动化
ＯｒｄｎａｎｃｅＩｎｄｕｓｔｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ・２９・
３３（７）
某小型无人机近地飞行纵向控制律的设计与仿真
陈鹏，段凤阳，郑志成，肖伟，张庆杰
（空军航空大学飞行器控制系，长春１３００２２）
ｏｆｔｈｅＵＡＶｌｉｆｇｈｔｎｅａｒｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｌａｎｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌａｐｐｅａｒａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐｉｔｃｈａｎｇｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｕｓｉｎｇｔｈｅｄｏｕｂｌｅｌｏｏｐ，ｕｓｉｎｇｃｌａｓｓｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｕｓｅｏｆ２ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
ａｌｔｉｍｅｔｅｒｔｏｐｒｅｃｉｓｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅａｎｄｐａｔｈｏｆｓｍａｌｌＵＡＶ．Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｉｓｇｏｏｄ，ｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｆｇｈｔｎｅａｒａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｌｉｆｇｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｗ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｔｉｍｅｔｅｒ；ｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒｃｌｅａｎｉｎｇ；ｌｏｗａｌｔｉｔｕｄｅｌｉｆｇｈｔ

无人机纵向自动控制毕业设计

第一章绪论无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。

机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。

地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。

回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。

可反覆使用多次。

广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

无人机技术是一项涉及多个技术领域的综合技术，它对通信、传感器、人工智能和发动机技术有比较高的要求。

如果在恶劣环境下作战，它还需要有比较好的隐身能力。

无人机与所需的控制、拖运、储存、发射、回收、信息接收处理装置统称为无人机系统。

无人机种类很多，不同的无人机可以完成不同的特殊任务。

军用无人机的主要用途包括：战术侦察和地域监视、目标定位和火炮校射、电子侦察和电子干扰、通信中继转发、靶机和实施攻击等。

与有人飞机相比，无人机具有多种优势：1、由于机上没有驾驶员，因此可省去驾驶舱及有关的环控及安全救生设备，从而降低飞机的重量和成本。

2、无人机在作战时不会危及飞行员，更适于执行危险性高的任务。

3、由于机上没有驾驶员，飞机可以适应更激烈的机动和更加恶劣的飞行环境，留空时间也不会受到人所固有的生理限制。

4、在使用维护方面，无人机比较简单，而且费用低，操纵员只需在地面进行训练，无需上天飞行。

无人机从产生到现在已有多年，早在70年代西方就产生用无人机进行对地攻击和格斗空战的构想，在美国还进行了大量飞行试验，但是由于技术上的难度，使这些构想无法实现。

无人机存在的致命弱点主要有两个：一是自主作战能力差，由于无人机执行任务时需要有人参与遥控，其自主作战能力有限，因而缺乏有人飞机所具有的灵活性和适应能力。

二是完成任务的有效性低，由于控制人员对无人机所处环境的了解必须借助远距离通信，而这种远距离通信又随时会被压制而中断，从而造成了人机之间无法及时、准确交流信息，影响了无人机完成任务的有效性。

无人机自动驾驶控制系统设计与仿真

无人机自动驾驶控制系统设计与仿真在近年来，随着科技的快速发展，无人机技术已经得到广泛应用。

无人机的自动驾驶控制系统是其关键组成部分，对于实现无人机的自主飞行和任务执行起着至关重要的作用。

本文将介绍无人机自动驾驶控制系统的设计和仿真方法，以及相关技术的发展和应用。

无人机自动驾驶控制系统设计是一个涉及多个学科领域的综合性工作。

首先，需要对无人机的动力学和控制理论有一定的了解。

无人机动力学模型可以描述无人机的运动规律，控制理论可以用于设计无人机的控制算法。

其次，还需要对传感器技术和通信技术有一定的了解。

传感器可以用来感知无人机周围的环境信息，通信技术可以实现无人机与地面控制站的数据传输和指令控制。

最后，还需要了解无人机相关的软件开发和仿真技术。

软件开发可以实现对无人机的控制和操作，仿真技术可以用来验证无人机控制系统的性能和稳定性。

在无人机自动驾驶控制系统设计中，首先需要确定控制系统的架构。

通常将控制系统分为感知、决策和执行三个层次。

感知层主要负责无人机周围环境的感知，包括飞行姿态信息、地形信息、障碍物识别等。

决策层根据感知层提供的信息进行决策，包括路径规划、任务分配等。

执行层负责执行决策层给出的指令，控制无人机的运动和行为。

通过分层设计，可以使无人机的自动驾驶控制系统更加模块化和可扩展。

其次，对于无人机自动驾驶控制系统的每个模块，还需要进行具体的算法设计和实现。

例如，针对感知模块，可以采用计算机视觉技术实现对环境的感知和障碍物的识别。

针对决策模块，可以采用模糊控制或强化学习等方法实现无人机的路径规划和任务分配。

针对执行模块，可以采用PID控制或模型预测控制等方法进行无人机的姿态控制和运动控制。

通过合理选择算法和实现方法，可以提高无人机自动驾驶控制系统的性能和稳定性。

在无人机自动驾驶控制系统的设计过程中，仿真是一个重要工具。

通过仿真可以验证控制系统的性能和稳定性，节省实际飞行的成本和风险。

常用的无人机仿真软件有MATLAB/Simulink、ROS和AirSim等。

毕业设计（论文）-无人机飞行控制仿真系统研究

无人机飞行姿态稳定控制系统研究摘要随着无人机在军民两用领域越来越多地发挥重要作用，无人机研究也越来越多地得到世界各国的普遍重视。

自动飞行控制系统作为无人机的控制核心，是无人机研究的重点和热点问题。

本文以某型固定翼无人机为研究对象，主要研究了基于常规PID的无人机横侧向飞行控制律的设计问题。

首先，建立了无人机的六自由度数学模型，并运用小扰动线性化方法建立了无人机纵向与横侧向系统的线性化方程；其次，介绍了一些常用的PID控制器参数整定法，作为飞行控制律设计的理论基础；再次，采用常规PID的方法进行了横侧向系统控制的设计，并针对不同空域的一些典型的状态点进行了大量的仿真研究。

仿真结果表明，我们所设计的常规PID控制器在多数情况下能满足要求。

关键字：无人机，常规PID，飞行控制率，滚转角，仿真UA V’s（Unmanned Aerial Vehicle）flight attitude stability controlsystem researchABSTRACTWith the UAV in the field of military and civilian use more and more important role to play, UAV study countries in the world more and more widespread attention. Automatic flight control system as the core of UAV control is the focus of UAV research and hot topics.Based on a high state technical issue as the research background, taking a unmanned aerial vehicle for research object, mainly studies based on the classical PID unmanned aerial vehicle flying control law design problem. First, Six degrees of freedom to establish a mathematical model of the UAV, and the use of small perturbation linearization method to establish a UAV system, the longitudinal and lateral linear equations; Secondly, the introduction of some commonly used PID Controller Parameters Tuning, flight control law design as the theoretical basis; Again, conventional PID lateral approach to the design of system control, and airspace for a number of different points of the typical state of a large number of simulation. Simulation results show that our conventional PID controller design in most cases to meet the requirements.KEY WORDS:unmanned aerial vehicle，classic PID，flight control law，rolling angle，simulation目录摘要 (1)ABSTRACT (2)1绪论 (5)1.1概述 (5)1.2无人机的发展历程 (6)1.3无人机的发展趋势以及对自主控制的要求 (6)1.4本文主要研究内容 (8)2无人机模型与方程的建立 (10)2.1飞机的简介 (10)2.2 常用坐标系简介 (11)2.2.1 地面坐标系AXdYdZd (11)2.2.2机体坐标系 OXtYtZt (11)2.2.3速度坐标系（气流坐标系）OXqYqZq (12)2.3飞机的常用运动参数 (12)2.3.1姿态角 (12)2.3.2向量与机体坐标系的关系 (13)2.3.3飞机速度向量与机体坐标系的关系 (13)2.3.4控制量与被控量 (13)2.4前苏联体制下无人机的非线性运动方程组 (13)2.4.1无人机六自由度运动方程式的建立 (14)2.4.2无人机六自由度全面运动方程式的简化处理 (16)2.4.3无人机数学模型的配平及线性化 (17)2.5本章小结 (18)3 PID控制研究 (20)3.1常规PID控制 (20)3.2常规PID控制器参数整定方法 (22)3.2.1临界比例度法 (22)3.2.2衰减曲线法 (23)3.2.3基于相角裕度的整定方法 (23)3.3本章小结 (24)4无人机横侧向系统控制律的设计与仿真 (25)4.1无人机飞控系统基本原理概述 (25)4.1.1飞控系统的硬件结构 (25)4.1.2飞控系统设计的基本思路 (25)4.2无人机横侧向控制系统的基本结构 (27)4.3倾斜姿态保持/控制模态控制律的设计与仿真 (28)4.3.1滚转角控制律的设计 (28)4.3.2滚转角控制律的仿真 (32)4.4航向保持/控制模态控制律的设计与仿真 (34)4.4.1控制结构与控制策略 (35)4.4.2控制律的设计与仿真 (36)4.5本章小结 (37)致谢 (38)参考文献 (39)附录Ⅰ飞机六自由度运动方程式的建立过程 (41)Ⅰ.1 动力学方程组的推导(锁定舵面) (41)Ⅰ.2 运动学方程组的建立 (44)Ⅰ.2.1 角位置运动学方程组 (44)Ⅰ.2.2 线位置运动学方程组 (45)附录Ⅱ无人机各状态点处的横侧向运动线性化方程 (46)1绪论1.1概述自古以来，人类就向往在空中自由地飞翔，许多神话故事和历史文献中都有描述与记载，嫦娥奔月这个神话故事正是人们对飞向天空的向往。

无人机纵向轨迹控制的设计与仿真

无人机纵向轨迹控制的设计与仿真
秦乐
【期刊名称】《航空计算技术》
【年(卷),期】2022(52)4
【摘要】主要介绍一种无人机垂直剖面的飞行轨迹控制算法的设计和仿真验证。

无人机在高度改变过程中,纵向采用轨迹控制的算法,通过控制垂直高度偏差和航迹
倾角偏差使无人机沿着预定的轨迹飞行,且实现垂直高度偏差、航迹倾角偏差为零。

算法中创新性地引入航迹倾角、地速与现时垂直速度的转换函数,进行给定法向过
载的计算。

纵向采用精确轨迹控制,自动油门采用渐变的油门杆控制实现速度保持,
常用的轨迹控制算法为利用高度差与垂直速度进行比例控制,具有实际飞行航线与
期望航线存在静差、超调较大的缺点。

算法通过与自动油门算法相结合,可实现对
无人机的纵向轨迹的自动控制,具有控制精度高、控制平稳等优点。

【总页数】4页(P48-50)
【作者】秦乐
【作者单位】北京青云航空仪表有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】V249.1
【相关文献】
1.无人机纵向飞行控制器的FLNN轨迹线性化设计
2.无人机飞行控制系统纵向控
制律设计及仿真3.某小型无人机近地飞行纵向控制律的设计与仿真4.农用无人机
纵向姿态控制系统设计及仿真5.无人机纵向控制律设计以及纵向轨迹跟踪仿真研究
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3 收稿日期 :2006 - 06 - 07 ; 修回日期 :2006 - 09 - 13 作者简介 :秦玮 (1983 - ) ,女 ,山东菏泽人 ,硕士研究生 ,研究方向 :计算机控制网络化系统控制。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·92 ·
弹箭与制导学报
2007 年
w z :俯仰角速度 ( rad/ s) ; ; : 俯仰角 ( rad) ;δz : 升降舵偏角 ( rad) 。
在一定的条件下 ,应用小扰动法获得的线性方程组去分析无人机的稳定性、操纵性 , 不仅可以使问题简化 ,而且可以得到良好的效果和比较满意的精确度。通过小扰动方程可以将无人机化为线性定常系统 ,便于利用成熟的线性定常系统的分析设计方法对无人机的运动状态进行分析和研究。
期模态 ,阶跃响应初始阶段是以迎角和俯仰角速
度的变化为代表的短周期运动[1] , 飞行速度基本
不变 ,可以令 V = 0 ,得到纵向运动的简化二自由
度短周期模型如下 :
α
- 1. 945
=
wz
- 22. 511
1 - 2. 036
α
+ wz
01 124 δz - 171 105
由此简化方程可以计算出升降舵到俯仰角
H = V sinθ 在分析高度稳定系统时仍可以采用短周期近似传递函数 ,不改变已设计好的俯仰角控制回路 ,求出ΔΔH; , 从而求出整个回路的开环传递函数 ,根据闭环根轨迹的变化来设计高度控制器
GH (s) ,如同求俯仰角回路控制器 , 对于高度控制采取纯比例环节 ,得出比例系数为 0175 ,当高度输入量为 100m 时 ,在 MA TLAB 仿真环境中输出高度响应如图 6 所示。
速度的传递函数为 :
; ( s) δz ( s)
=
- 171 11s - 361 06 s2 + 31 981s + 261 47
控制器要实现以给定的俯仰角飞行这项功
能 ,要利用角速度传感器和姿态角传感器得到的
信号进行反馈 , 这样可以增加系统的阻尼 , 改善
飞机开环系统的动态响应。
俯仰控制回路的仿真结构图如图 1 所示。
[ 3 ] 薛尧舜. 无人机控制器软件与控制算法研究[ D] . 西北工业大学 ,2003.
[ 4 ] 鲁道夫. 布罗克豪斯. 飞行控制[ M] . 北京 :国防工业出版社 ,1999.
(上接第 90 页) 表 1 部分训练样本、训练结果及相对误差
序号
(V m , H m , Pm ,εm , RCS m)
前后系统的阶跃响应曲线对比如图 2 所示。
由图 2 可以看出经过俯仰角速率反馈后 , 系
统的超调量、调节时间和稳态误差都得到明显的
改善 ,确定俯仰角速率反馈系数后可以得到外环
的开环传递函数为 :
G2 ( s)
= s4
k; (17111s + 36016) + 131981s3 + 10015s2 + 3361 82s
典控制理论中的根轨迹法是设计飞行控制律的
有效而且是非常成熟的方法 ,但对于飞机这种多
输入多输出系统来说 ,也可以尝试用现代控制理
论的方法来设计控制律。
[ 参考文献 ]
[ 1 ] 张明廉主编. 飞行控制系统[ M] . 北京 :航空工业出版社 ,1984.
[ 2 ] 卢京潮主编. 自动控制原理[ M] . 西安 :西北工业大学出版社 ,2004.
根轨迹图如图 3 所示。
图 3 根轨迹图
由上面的根轨迹图可以看出有两条根轨迹
分支很快进入右半 s 平面 , 因此只采用比例控制
显然不够。为了消除俯仰角的稳态误差 , 对于外
环采取 PI 控制 , 并且可以引入一个零点使根轨
迹左移 ,增加系统稳
定性。根据根轨迹图
来调节比例积分系
数 , 最后选取 G; ( s) = 11 2 + 1/ s ,俯仰角的单位阶跃响应如 4 图所示。
的反馈系数 K; 就可使系统的阻尼和自然频率得到改善 , 俯仰角速率控制系统闭环根轨迹随 K; 的变化而变化 , 系统
的阻尼和自然频率
也随之变化 , 当 K; = 01 2 时系统阻尼
比为 0. 52 , 自然频
率为 71 2rad/ s , 这图 2 反馈前后俯仰角速率
时俯仰角速率反馈
阶跃响应对比曲线
(1) 以给定俯仰角保持俯仰稳定 ,实现水平直线飞行功能。
(2) 以给定高度保持飞机进行定高飞行。文中就是根据这些功能来设计俯仰通道和高度通道的控制律 ,并给出仿真结果。
2 无人机模型的建立
无人机本身是一个多输入多输出的非线性系统 ,为了便于系统的分析和控制器的实现 ,一般以水平直飞为基准运动 ,对飞机方程进行线性化处理 ,得到飞机的小扰动线性化状态方程。在小扰动条件下 ,固定翼飞机的纵向运动和侧向运动之间交联影响不严重 ,可以把飞机运动方程分解为相互独立的纵向和侧向运动分别讨论。本飞控系统的纵向小扰动线性化状态方程根据有关气动参数计算如下 (纵向运动不考虑油门输入量) :
理论训练相对值结果误差
1 01 0333 01 0504 01 0020 01 8000 01 10
1 01 9960 01 4 %
2 01 2333 01 1500 01 0004 01 74000 01 12
1 01 9942 01 6 %
3 01 2500 01 1200 01 0000 01 75000 01 14
由图 6 看高度基本能保持在给定高度上。
5 总结
图 6 高度响应曲线
以上控制律设计及仿真是在对飞机模型线
性化以后进行的仿真结果 ,实践证明仿真结果比
较满意。在实际飞机系统中有好多非线性环节 ,
因此在系统中要加入延迟环节 ,饱和环节及限幅
环节等尽可能的模拟真实飞机的飞行状态。经
1 01 9919 01 8 %
7 01 45 01 2004 01 0020 01 836 01 3
1 01 9898 1 %
8 01 2430 01 1354 01 0015 01 9 01 18
1 01 9955 01 5 %
9 01 7667 01 5556 01 8454 01 2 11 8
图 4 俯仰角单位阶跃响应曲线
由图 4 可见 ,俯仰角超调量小于 20 % ,调节时
间为 4. 5s , 俯仰角回路能够得到满意的控制效果。
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一般以俯仰角 ; 的反馈回路作为高度保持系统的内环 ,将给定高度与高度传感器反馈过来的测量高度进行比较 ,将高度差信息经过高度控制器输入到俯仰角控制系统 ,用来改变航迹倾斜角θ控制飞机的升降 , 直至高度差为零 , 飞机回到预定高度为止。控制原理图如图 5 。
图 5 高度控制原理图
设计高度稳定系统时 , 需要建立 Δθ,ΔV 与高度变化之间的关系为 :
在飞机方程建立的基础上 , 采用经典控制理论中的根轨迹法设计控制律。用这种方法不仅可以选择适当的通道增益 ,使闭环系统达到品质要求 ,而且可以设计控制器 ,适当引入零点和极点 , 改善系统的动态性能 ,确定出满足指标要求的控制律参数。
3 俯仰控制回路设计
纵向运动分为两种模态 ,短周期模态和长周
1 01 9938 01 7 %
4 01 1667 01 2100 01 0015 01 7000 01 18
1 01 9925 01 8 %
5 01 1800 01 0880 01 0000 01 800 01 25
1 01 9926 01 8 %
6 01 3333 01 1582 01 0000 01 8 01 236
Digital simulatio n is carried o ut in Matlab environment .
Key words :flight cont rol ;co nt rol law ;digital simulation
1 引言
无人机一般由飞行控制系统控制飞机在全自主状态下飞行 ,所以其飞控系统的作用及飞控系统控制律的设计就显得尤其重要。纵向运动要实现的主要的基本功能如下 :
第 27 卷第 2 期
无人机飞行控制系统纵向控制律设计及仿真秦玮等
·93 ·
4 高度稳定系统控制律设计
飞行高度的稳定与控制不能由俯仰角的稳定与控制来完成 ,角稳定系统能在垂风气流作用下保持飞行器的俯仰角稳定 , 但几秒钟后 , 飞行速度向量偏离原方向会产生高度漂移。所以 , 纵向回路控制系统还要另外对飞行高度进行控制。
第 27 卷第 2 期
弹箭与制导学报
·91 ·
无人机飞行控制系统纵向控制律设计及仿真 3
秦玮 ,闫建国 ,孙兴宏 ,徐鹏
(西北工业大学自动化学院 ,西安 710072) [摘要 ] 文中主要是根据建立的飞机小扰动线性化方程 ,利用经典控制理论中的根轨迹法 ,分析设计了某无人机飞行控制系统中纵向运动的两个通道 :俯仰通道和高度通道的控制律 ,并利用 Matlab 进行了数字仿真 ,给出了仿真结果。 [关键词 ] 飞行控制 ;控制律 ;数字仿真 [中图分类号 ] TJ7651 2 [ 文献标志码 ] A
ΔV