三自由度直升飞机系统实验报告5_13_9_39

目录

摘要 (1)

第一章实验目的 (2)

第二章自动控制理论 (2)

2.1自动控制 (2)

2.2PID控制器 (2)

第三章直升机系统 (3)

3.1实验装置 (2)

3.2建模和仿真 (2)

3.3PID控制实验 (2)

第四章总结 (5)

4.1控制系统的仿真和实验 (5)

4.2不足与展望 (5)

第五章人员分工 (5)

参考文献 (5)

摘要

三自由度实验室直升机模型是典型的高阶多输入输出系统, 具有较强的通道耦合和非线性特性, 其俯仰, 倾斜和旋转三轴运动方程, 能够部分模拟实际直升机的飞行特性, 是控制理论教学和研究的有力工具.在了解了试验系统的物理特性基础上，建立了系统的数学模型，并利用matlab环境，设计了适合该实验的PID控制器，对直升飞机飞行的高度及飞行速度实现了实时控制。实验结果表明，其控制效果达到了预定的指标。

第一章实验目的

GHP三自由度直升飞机系统（简称直升机系统）是固高科技有限公司为全方位满足我们智能科学技术等工科专业在自动控制课程的教学需要而研制、开发的实验教学平台。作为我专业实践自动控制的实验系统，可以满足我们自控原理、现代控制理论、控制系统和计算机控制系统课程设计的需求。

熟悉、剖析、设计、实现直升机实验系统，获得对智能系统的基本结构及其各个组成单元的基本认识。

掌握PID控制、PID参数整定等自动控制理论。

学会运用MATLAB/Simulink 来搭建系统仿真，并在Simulink环境下实现实时控制。

学会将仿真结果与实验相结合，了解仿真和实际系统的区别与联系。

掌握调试PID控制器的方法，使控制效果达到最好。

第二章自动控制理论

2.1自动控制

1788年英国科学家James Watt为设计内燃机设计的飞锤调速器可以认为是最早的反馈控制系统的工程应用。

图2.1 飞锤调速器

自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器）使被控对象（如生产过程中的位移、速度、温度，电力系统中电压、电流、功率等物理量或某些化合物的成分等），依照预定的规律进行运动或变化。这种能对被控制对象的工作状态进行控制的系统称为自动控制系统。它一般由控制装置和被控对象组成。

自动控制系统的分析：在已知控制系统结构和参数的基础上，求取系统的各项性能指标，并找出这些性能指标与系统参数间的关系。

控制系统设计：在给定对象特性的基础上，按照控制系统的应具备的性能指标要求，寻求能够全面满足这些性能指标要求的控制方案并合理确定控制器的参数。

2.2 PID控制

PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分（Proportional–Integral–Derivative）控制算法。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，PID 控制器就是根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。

工业控制的主要技术之一。根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，有PID控制、PI控制、PD控制。

PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID 也在计算机化控制系统中实现。

PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。要衡量PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。

比例控制作用

对于具有比例控制作用的控制器，控制器的输出量u(t)与作用误差信号e(t)之间的关系为：

u控制量; u

控制量基准

e=w-y为控制偏差

K反映控制强弱，过大系统不稳定

对自平衡系统存在静差

图2.2 比例控制

比例积分(PI)控制作用

在具有积分控制作用的控制器中，控制器的输出量u(t)与作用误差信号e(t)的积分成正比：

具有偏差的积累，可消除静差

Ti为积分时间

累加偏差，直至偏差为0

Ti大积分作用小， Ti小积分作用大。

图2.3 积分控制

比例微分（PD）控制作用

在具有微分控制作用的控制器中，控制器的输出量u(t)与作用误差信号e(t)的微分（即误差的变化率）成正比：

当被控对象具有较大惯性时，PI控制效果不理想

引入微分控制可抑制振荡，改善过程的动态品质

偏差变化越快, 微分作用越大

但对干扰敏感,不能消除静差

图2.4 微分控制

比例-积分-微分（P-I-D）控制

u(t)=K p[e(t)+1

T i

∫e(t)dt

t

+T d

de(t)

dt

]

其传递函数为：

图2.5 PID控制

首先，比例、微分使得调节作用加强

其次，积分消除了静差

PID控制器从静态和动态两方面改善了系统的调节品质

比例控制

比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差

比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制

只要系统有误差存在，积分控制器就不断地累积，输出控制量，以消除误差。只要有足够的时间，积分控制器能完全消除误差，是系统误差为零，从而消除稳态误差。

积分作用太强会是系统超调增大，甚至使系统出现震荡。

微分控制

微分控制可以减小超调量，克服振荡，是系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度。预测误差的变化趋势，对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。