四旋翼无人飞行器控制律设计与仿真

四旋翼无人飞行器已经得到了广泛应用,其控制律设计的重要性日渐凸显。在构建四旋翼飞行器六自由度动力学模型的基础上,分别设计了基于PID控制和线性自抗扰两套控制律。首先给出基于PID控制的四旋翼控制律,对四旋翼的各个通道设计PID控制律,并进行六自由度仿真分析,随后给出基于线性自抗扰控制的四旋翼控制律,针对每个通道设计自抗扰控制回路,进行六自由度仿真分析,基于仿真结果对两者的控制效果进行对比,最终结果表明自抗扰控制方法可以有效地抑制超调且响应速度更快。     

车辆纵向加速度自抗扰控制研究

使用自抗扰控制(ADRC)方法对车辆纵向加速度控制进行研究.首先给出以油门开度指令为控制量的发动机动态模型和车辆纵向动力学模型,对ADRC进行简要介绍;然后将模型变换为适于自抗扰控制的仿射系统,设计车辆纵向加速度ADRC控制器;最后在车辆和发动机参数摄动以及道路扰动的环境下进行仿真.结果表明,ADRC控制器能够使车辆获得快速、平稳和高精度的加速度控制效果.     

基于ADRC的直接转矩控制系统及其性能

在传统的直接转矩控制(DTC)系统中,速度控制通常采用PI控制器,而PI控制器必须依赖被控对象的数学模型,特别是在低速范围内不能达到令人满意的控制效果.将一种非线性控制器——自抗扰控制器(ADRC)引入直接转矩控制系统,以改善动态性能,并结合转矩控制系统提出了自抗扰控制器的参数整定方法,同时针对系统的抗扰性能进行了仿真分析.仿真结果表明,采用ADRC的转矩控制系统抗扰性能有显著提高.     

车辆纵向加速度自抗扰控制

使用自抗扰控制（active disturbance rejection control,ADRC）方法对车辆纵向加速度控制进行研究．首先给出以油门开度指令为控制量的发动机动态模型和车辆纵向动力学模型,对ADRC进行简要介绍;然后将模型变换为适于自抗扰控制的仿射系统,设计车辆纵向加速度ADRC控制器;最后在车辆和发动机参数摄动以及道路扰动的环境下进行仿真、结果表明,ADRC控制器能够使车辆获得快速、平稳和高精度的加速度控制效果.     

神经网络自抗扰全垫升气垫船航迹控制

针对全垫升气垫船与常规水面船相比,非线性强,可操纵性较差,设计了神经网络自抗扰航迹引导控制器及航向控制器,以提高其航迹控制效果.利用非线性跟踪微分器(TD)提取微分信号并安排过渡过程.利用扩张状态观测器(ESO)对系统内、外扰动进行观测,并进行扰动补偿.利用非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)提供精确控制量.为了提高自抗扰控制器( ADRC)的自适应性,利用递归网模型(RNM)对系统进行辨识,根据辨识信息对ADRC控制参数进行在线整定.仿真结果表明:在强扰动作用下,所设计航迹控制系统能够使全垫升气垫船精确地保持在计划航线上,具有自适应性强、超调量小、鲁棒性强等特点.     

欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制

针对六自由度欠驱动四旋翼无人飞行器(Quadrotor UAV)受控模型的复杂非线性问题,提出了一种系统简化方法,并基于简化后的模型设计了滑模控制器,实现了对复杂模型的非线性控制.首先,对Quadrotor UAV模型进行简化处理,从而可将系统解耦为完整驱动部分和欠驱动部分;进而,通过定义一个广义滑动流形实现欠驱动部分的滑模控制器设计;最后,利用Lyapunov理论证明了系统欠驱动部分的稳定性.仿真分析表明,本文提出的控制方法能够有效实现Quadrotor UAV的控制,且与经典PID控制方法相比,具有对外界扰动更强的鲁棒性.     

基于自抗扰控制器的变桨距控制系统

运用风力发电系统中额定风速以上的最大功率跟踪控制方法,提出了一种基于自抗扰控制器(ADRC)的变桨距控制策略.考虑到变桨距控制系统是一个非线性时滞系统,时延的存在必然会降低闭环控制系统的稳定性,为此,将史密斯预估器应用到自抗扰控制器的设计中,并得到了一种输出预估自抗扰控制器(PADRC),从而实现了对时延影响的控制.结...     

一种多变量自抗扰控制结构的设计研究

自抗扰控制器(active disturbance rejection control,ADRC)不依赖于被控系统的完全模型,采用扩张状态观测器(extended state observer,ESO)对系统的内扰和外扰进行实时估计,因而能取得较为理想的抗干扰效果。对于多变量系统,分散ADRC可以将通道之间的耦合看成扰动,通过各自通道的ESO进行估计。对于强耦合的多变量系统,分散ADRC可能不能及时消除耦合。本文提出一种多变量型ADRC控制结构,将静态解耦引入到ADRC控制器设计中,从而能充分利用系统已知动态特性,实现更好的解耦。采用所提方案对循环硫化床锅炉燃烧系统设计多变量ADRC控制方案,仿真结果表明该控制器具有很好的解耦性和鲁棒性。     

基于分数阶自抗扰技术的核电站稳压器压力控制

针对传统PID在复杂的核电站稳压器控制系统中无法获得良好的控制效果的问题,提出了分数阶自抗扰控制器(FOADRC).该控制器将分数阶控制器与自抗扰控制器相结合,不仅具备分数阶控制器的快速与高精度特点,还具备自抗扰控制器的强鲁棒性和抗扰动性能,解决了ADRC技术中非线性状态误差反馈控制律调参较困难的问题.建立的稳压器压力控制的Simulink仿真模型表明,分数阶自抗扰控制器与传统PID控制和ADRC控制相比具有更加优良的性能指标.     

基于非线性分离的可倾转四旋翼LQR飞行控制研究

本文研究了一种能够独立控制位置和姿态的可倾转四旋翼飞行器,在建立了系统动力学模型的基础上,针对可倾转四旋翼飞行器系统存在的强输入非线性问题,采用了非线性分离策略,构造中间控制量,将该强非线性系统分离为线性动态环节和非线性静态环节,并仅针对线性动态环节设计了计算量小、易于硬件实现的线性二次型调节器(LQR),然后再通过反解输入非线性环节将中间控制量分配到实际的控制量——旋翼倾转角和电机转速.仿真实验结果表明,基于非线性分离策略设计的LQR飞行控制器能够实现对可倾转四旋翼稳定控制,很好地独立追踪位置和姿态期望.     

固定翼无人机自适应滑模控制

针对固定翼无人机的姿态和速度控制中存在不确定和外部扰动的问题,设计自适应超螺旋滑模干扰观测器和控制器,实现了固定翼无人机对速度指令和姿态指令的有限时间精确跟踪.首先建立固定翼无人机速度模型和基于四元数的姿态误差模型;进而在该模型的基础上针对无人机飞行过程中的外部扰动和不确定问题,采用自适应超螺旋滑模算法设计干扰观测器对干扰和不确定进行快速估计,并在此基础上设计多变量超螺旋控制器使固定翼无人机快速、精确地跟踪期望的速度和姿态指令;最后基于Lyapunov理论证明了该系统的稳定性.仿真结果表明:所提出的综合控制策略可以实现固定翼无人机速度与姿态的快速精确跟踪并具有良好的鲁棒自适应能力,而且针对无人机不同的飞行指令,使用该控制策略都能使无人机快速稳定的达到预期目标.     

Research on the attitude regulation of 3-DOF hover system

Quadrotor helicopter is emerging as a popular platform for unmanned aerial vehicle re- search, due to its simplicity of structure and maintenance as well as the capability of hovering and vertical take-off and landing. The attitude controller is an important feature of quadrotor helicopter since it allows the vehicle to keep balance and perform the desired maneuver. In this paper, nonlin- ear control strategies including active disturbance rejection control （ADRC）, sliding mode control （SMC） and backstepping method are studied and implemented to stabilize the attitude of a 3-DOF hover system. ADRC is an error-driven control law, with extended state observer （ESO） estimating the unmodeled inner dynamics and external disturbance to dynamically compensate their impacts. Meanwhile; both backstepping technique and SMC are developed based on the mathematical model, whose stability is ensured by Lyapunov global stability theorem. Furthermore, the performance of each control algorithm is evaluated by experiments. The results validate effectiveness of the strate- gies for attitude regulation. Finally, the respective characteristics of the three controllers are high- lighted by-comparison, and conclusions are drawn on the basis of the theoretical and experimental a- nalysis.     

Inverse Model Control for a Quad-rotor Aircraft Using TS-fuzzy Support Vector Regression

基于TS模糊支持向量机回归的四旋翼无人机逆模控制

李志宇¹,陈含欣²,王从庆²,薛楷嘉²

(1.南京航空航天大学 无人机研究院,南京 210016;

2.南京航空航天大学 自动化学院,南京 210016)

创新点说明：

研究了一种基于TS模糊支持向量机回归的四旋翼无人机逆模控制方法,TS核是对应一组TS模糊推理规则的输入和一组输出线性组合的点积,TS模糊支持向量机回归的输出是TS核的线性加权和,推导了四旋翼无人机的动力学模型,提出一种将TS模糊支持向量机回归逆模控制与PID控制结合的新方法,其中TS模糊支持向量机回归逆模控制可以提高抗干扰和鲁棒性能,PID控制增加系统的快速响应和可靠性。仿真结果表明了该控制方法可以提高四旋翼姿态系统的控制性能。

研究目的：

采用PID 控制结合TS模糊支持向量机回归逆模控制来提高四旋翼无人机姿态控制的性能。

研究方法：

通过推导TS模糊支持向量机回归模型与TS模糊推理系统输出等效关系,建立四旋翼无人机动力学数学模型,在matlab仿真环境下开展实验验证,计算机2.4GHZ,2G内存,window7.0。

结果：

分别采用PID控制、Backstepping控制和TS模糊支持向量机回归逆模控制,仿真实验给出了无噪声和有噪声下的俯仰角和俯仰角速度变化曲线,仿真结果表明： TS模糊支持向量机回归逆模控制能够获得更好的控制效果。

结论：

采用TS模糊支持向量机回归逆模控制方法对四旋翼无人机姿态系统进行控制,设计了逆模控制器,并增加了PID控制,具有快速响应和抗干扰性能。

关键词：支持向量机回归,TS模糊支持向量机,逆模控制,四旋翼,姿态控制

     

无人直升机发动机恒转速广义预测控制

采用基于受控自回归积分滑动平均值模型的广义预测控制和总距前馈补偿相结合的复合控制策略设计恒转速控 制器,实现进入恒转速闭环控制模式发动机的恒转速控制。针对实际中的几种典型情况进行仿真,与传统PID控制进行对比, 并做地面系留试验。离线仿真和地面系留试验结果表明,所设计的控制器鲁棒性强,能满足小型无人直升机对发动机的跟踪 性、抗干扰性要求,保证直升机主旋翼在各种飞行状态下恒速运转,以获得最佳的气动效率。     

自抗扰技术在四旋翼飞行姿态控制中的应用

介绍了自抗扰控制器的结构组成,包括跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈律,并给出了各部分的典型算法．针对四旋翼盘旋系统的姿态控制问题,设计了连续型和离散型两种自抗扰控制器,在Simulink下搭建了仿真结构图,并进行了参数整定．仿真结果表明,文中所设计的自抗扰控制器可以满足控制精度及快速性的要求,并且具有强鲁棒性、抗干扰性能以及对非线性强耦合系统的解耦能力．     

基于变结构/输入成形的航天器振动抑制方法

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题,提出了一种基于输出反馈变结构控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略.首先,采用拉格朗日方法建立中心刚体上带有弹性附件的航天器的动力学模型.然后,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,考虑挠性结构模态不可测的情况,为了避免设计状态观测器及其引入的误差,在输出反馈变结构控制的基础上,给出了滑模存在条件以及仅利用输出信息的变结构控制器设计方法,使系统的状态轨迹达到滑动平面,并保证闭环系统渐近稳定;在此基础上,应用输入成形方法设计成形控制器来抑制该系统的振动,使得航天器星体姿态和挠性附件的振动同时得到了有效的控制.该成形控制器的设计仅需闭环系统的振动频率和阻尼.将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest-to-rest(静止到静止)姿态机动控制进行了仿真研究,结果表明,方法可行有效.     

基于实时操作系统的小型四轴飞行器设计

针对四轴飞行器控制实时性较差的问题,提出了一种利用移植实时操作系统的STM32单片机进行飞行器控制的解决方案. 以32位ARM（Advanced RISC Machines）微控制器STM32F103CB单片机作为飞行器的控制芯片,采用四元数结合PID（proportion,integral&derivative）控制算法并利用RTX（Real-Time eXtension）实时操作系统对四轴飞行器进行姿态控制,同时使用多传感器并发处理技术实现了四轴飞行器的数据采集. 实验表明,本设计实现了四轴飞行器上,控制信号和电池电量数据的双向、快速传输,获取的姿态信息精度高,四轴飞行器姿态角更新更迅速且易操作,提高了飞行器运行的稳定性,具有实时性.     

Formation control of quad-rotor UAV via PIO

Science China Technological Sciences - In this article, the formation control of quad-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) via pigeon inspired optimization (PIO) is designed. The nonlinear...     

Disturbance rejection SDRE attitude control

The nonlinear disturbance observer based disturbance rejection SDRE attitude control is investigated for a general nonlinear missile with parameter uncertainties and external disturbances. Firstly, the total effects of the parameter uncertainties and external disturbances are regarded as the lumped disturbances. And then, a disturbance compensation gain is carefully designed, so that the disturbance rejection SDRE attitude control method is able to address the mismatched disturbances. Finally, the nonlinear disturbance observer is introduced to estimate the lumped disturbances. Simulation results have demonstrated the precise tracking performance and the disturbance rejection capability of the proposed method with respect to the parameter uncertainties and external disturbances.     

永磁同步电机混合非线性控制策略

永磁同步电机是一个非线性多变量强耦合系统,采用传统的线性控制方法难以在大范围运行中保持良好的动态性能和鲁棒性.针对永磁同步电机的特点,提出一种结合滑模控制和自抗扰控制的混合非线性控制策略,用于永磁同步电机矢量控制系统设计.根据指数趋近律算法设计滑模控制器,用于内环的电流控制.外环的速度采用自抗扰控制,速度控制器对负载扰动进行估计和补偿.仿真结果表明,提出的控制系统不仅具有良好的动态和静态性能,而且对负载及系统参数扰动具有较强的鲁棒性.