哈工大4系飛行器控制實驗指導(dǎo)書_百度文庫

1、飛行器控制實驗指導(dǎo)書 控制科學(xué)與工程教學(xué)實驗中心2005年 3月目 錄一、實驗?zāi)康暮鸵饬x二、實驗的基本要求三、 Matlab 語言基礎(chǔ)四、實驗項目(一 實驗一 飛行器縱向穩(wěn)定系統(tǒng)綜合設(shè)計(二 實驗二 飛行器側(cè)向穩(wěn)定器觀測器的設(shè)計(三 實驗三 飛行器爬升率與空速的保持與指令控制(四 實驗四 飛行器 3維飛行動畫仿真實驗一、實驗?zāi)康暮鸵饬x作為航天學(xué)院的學(xué)生,掌握飛行器控制方面的知識是必要的。僅僅通過課堂 教學(xué), 學(xué)生很難切實地掌握飛行器控制的知識, 很難熟練地應(yīng)用飛行器控制的方 法。為了使學(xué)生更深刻地理解飛行器控制方面的知識,開設(shè)本實驗是必要的。 通過飛行器控制實驗,可以使學(xué)生更直觀地理解課堂上學(xué)

2、到的理論,使學(xué)生 能真正做到理論與實際相結(jié)合, 會應(yīng)用課堂上所學(xué)到的理論來進行飛行器控制系 統(tǒng)的設(shè)計,同時,使學(xué)生掌握用 Matlab 來進行飛行器控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的方 法。二、實驗的基本要求1. 要求學(xué)生能較熟練地使用控制系統(tǒng)分析設(shè)計軟件(Matlab 來進行系統(tǒng) 分析與設(shè)計。2. 要求學(xué)生能熟練地使用 Matlab 軟件進行編程, 并在該軟件環(huán)境下進行調(diào) 試。3. 要求學(xué)生掌握模態(tài)控制理論(模態(tài)可控、模態(tài)可觀結(jié)構(gòu)分析;模態(tài)控制 器設(shè)計,模態(tài)觀測器設(shè)計 ,并編制相應(yīng)的 matlab 函數(shù)。4. 要求學(xué)生能使用所編制的程序進行飛行器控制系統(tǒng)的分析與綜合。三、 Matlab 語言基礎(chǔ)(一 ma

3、tlab軟件的編程環(huán)境1. 找到 MatlabMatlab 軟件應(yīng)用程序的圖標(biāo)為 , matlab 軟件被正確安裝后,可以將該圖標(biāo)拖 曳到桌面上或快捷工具欄中以方便使用。2. 啟動 Matlab點擊 Matlab 圖標(biāo)會彈出如下窗口(二 飛行器控制實驗中要用到的 matlab 語句1. 賦值語句:A=0 1 0;0 0 1;-6 -11 -62. 矩陣的維數(shù):行 , 列 =size(A3. 矩陣的秩:n=rank(A4. 矩陣的逆:B=inv(A5. 求特征值和特征向量:V,eva=eig(A' V 為 A T 的廣義模態(tài)矩陣, eva=diag(1, , n 6. 矩陣的轉(zhuǎn)置:A 因

4、為是實數(shù)陣所以轉(zhuǎn)置可以用 A , A 是 A 的共扼轉(zhuǎn)置而 U,V 等復(fù)數(shù)陣的轉(zhuǎn)置要用 conj(V ;7. 子陣的抽取:A(i:j,m:n; A(:,1;A(i,j8. 矩陣四則運算:(維數(shù)要一致表達式與標(biāo)量數(shù)值運算同9. 循環(huán)語句:for i=1:1:n+1程序行end10.條件判斷:if(a=b程序行end11.結(jié)果顯示控制:語句后面加“ ; ”則不顯示結(jié)果。clear ParaEva;13. m 函數(shù):function AC,KVT=SImodectrl(A,B,eva0,eva1函數(shù)體end function要求 m 文件的文件名與函數(shù)名一致。14.繪制某個量的關(guān)于時間的曲線:plo

5、t(t,x(1,: 逗號分割兩個向量(行或列均可 ,左邊為橫坐標(biāo),右邊為縱坐標(biāo) grid 加?xùn)鸥馻xis(x0 x1 y0 y1 確定坐標(biāo)系大小figure(i 定義新圖,設(shè)定當(dāng)前圖以上語句及其它感興趣的函數(shù)、語法的詳細使用說明可以參閱 MA TLAB 的幫助。四、實驗報告飛行器控制實驗報告 (實驗報告模版在 中下載 班級:學(xué)號:姓名:時間:2011年 12月 12日控制科學(xué)與工程教學(xué)實驗中心2006年 12月(一 實驗一 飛行器縱向穩(wěn)定系統(tǒng)綜合設(shè)計1.實驗要求:(1 掌握單輸入多模態(tài)控制的設(shè)計步驟,及各參數(shù)的確定;(2 會用單輸入多模態(tài)控制方法設(shè)計飛行器的穩(wěn)態(tài)控制器;(3 會用 Matlab

6、 工具2. 實驗過程:(從 Matlab 的工作區(qū)中將輸入和計算過程復(fù)制粘貼過來, 可以改變一下字體大 小和格式 表 2-1縱向短周期模態(tài)的模態(tài)控制(1飛機原始數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量:輸入變量:A:>> A=-0.602,1;-15.988,-0.5A =B:>> B=-0.0848;-9.439B =(2A的特征值和特征向量特征向量矩陣 (在 Matlab 直接計算出來的 U 的結(jié)果上乘以自 己的學(xué)號 (兩位 L:U:V:>> U,L=eig(AU =L =-0.5510 + 3.9982i 0>> U=U*28U =>> V=conj(

7、inv(U'V =(3配置要求 (AC的特征值 LC:>> LC=-2.1+2.142i;-2.1-2.142iLC =(4模態(tài)可控陣P:>> P=inv(U*BP =(5比例控制器增益K:>> K1=(LC(1-L(1,1*(LC(2-L(1,1/P(1/(L(2,2-L(1,1 K1 =>> K2=(LC(1-L(2,2*(LC(2-L(2,2/P(2/(L(1,1-L(2,2 K2 =>> K=K1 K2K =9.0606 + 6.2665i 9.0606 - 6.2665i (6狀態(tài)反饋增益陣G:>> G=

8、K1*conj(V(:,1'+K2*conj(V(:,2' G =(7閉環(huán)系統(tǒng)矩陣及其特征值A(chǔ)C:>> AC=A+B*GAC =LC:>> LC=eig(ACLC =(8開環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)曲線 (攻角初值為 2.5 :(9閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)曲線 (攻角初值為 2.5 : (10閉環(huán)時的輸入曲線: 表 2-2縱向短周期和俯仰角模態(tài)的模態(tài)控制(1飛機原始數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量:輸入變量:A:>> A=0,0,1;0,-0.602,1;0,-15.988,-0.5A =B:>> B=0;-0.0848;-9.439B =(2A的特征值和特征向量特征向量矩

9、陣 (在 Matlab 直接計算出來的 U 的結(jié)果上乘以自 己的學(xué)號 (兩位 L:U:V:>> U,L=eig(AU =L =0 0 00 -0.5510 + 3.9982i 00 0 -0.5510 - 3.9982i >> U=U*28U =>> V=conj(inv(U'V =0.0357 0 0-0.0351 0 + 0.0757i 0 - 0.0757i 0.0013 + 0.0000i 0.0189 - 0.0002i 0.0189 + 0.0002i (3配置要求 (AC的特征值 LC:>> LC=-0.2;-2.1+2.1

10、42i;-2.1-2.142iLC =(4模態(tài)可控陣P:>> P=inv(U*BP =(5比例控制器增益K:>>K1=(LC(1-L(1,1*(LC(2-L(1,1*(LC(3-L(1,1/P(1/(L(2,2-L(1,1/(L(3,3-L(1,1 K1 =>>K2=(LC(1-L(2,2*(LC(2-L(2,2*(LC(3-L(2,2/P(2/(L(1,1-L(2,2/(L(3,3-L(2,2 K2 =>>K3=(LC(1-L(3,3*(LC(2-L(3,3*(LC(3-L(3,3/P(3/(L(1,1-L(3,3/(L(2,2-L(3,3 K

11、3 =K=K1 K2 K3K =(6狀態(tài)反饋增益陣G:>> G=K1*conj(V(:,1'+K2*conj(V(:,2'+K3*conj(V(:,3'G =>> G=real(GG =(7閉環(huán)系統(tǒng)矩陣及其特征值A(chǔ)C:>> AC=A+B*GAC =LC:>> LC=eig(ACLC =(8開環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)曲線 (俯仰角速度初值為 5/s:(9閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)曲線 (俯仰角速度初值為 5/s: (10閉環(huán)時的輸入曲線: (二 實驗二 飛行器側(cè)向穩(wěn)定器觀測器的設(shè)計1.實驗要求:(1 掌握多輸入單模態(tài)控制的設(shè)計步驟,及各參數(shù)的確定;(2

12、 會用多輸入單模態(tài)控制方法設(shè)計飛行器的穩(wěn)態(tài)控制器;(3 熟悉降維狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法;(4 掌握利用狀態(tài)觀測器實現(xiàn)狀態(tài)反饋的方法;(5 會用 Matlab 工具進行多輸入單模態(tài)控制設(shè)計和狀態(tài)觀測器設(shè)計2. 實驗過程:(從 Matlab 的工作區(qū)中將輸入和計算過程復(fù)制粘貼過來, 可以改變一下字體大 小和格式 教材第 40頁(1飛機原始數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量:輸入變量:A:>>A=-0.0981,0.2957,-0.9950,0.1338;-14.296,-1.0541,1.1395,0;0.7717,-0.0238,-0.2981,0;0,1.0, 0.3096,0A =-14.2960

13、-1.0541 1.1395 00.7717 -0.0238 -0.2981 00 1.0000 0.3096 0B:>> B=0,0.0169;-7.8013,-1.1160;0.1454,-0.6548;0,0B =0 0C:>> C=0,0;1,0;0,1;0,0C =0 01 00 10 0>> C'ans =0 1 0 00 0 1 0(2A的特征值和特征向量特征向量矩陣 (在 Matlab 直接計算出來的 U 的結(jié)果上乘以自 己的學(xué)號 (兩位 L:U:V:>> U,L=eig(AU =L =-0.3134 + 2.1844i

14、0 0 00 -0.3134 - 2.1844i 0 0>> U=U*28U =>> V=conj(inv(U'V =-0.0337 + 0.1238i -0.0337 - 0.1238i 0.1033 - 0.0000i -0.0176 - 0.0000i 0.0155 + 0.0057i 0.0155 - 0.0057i 0.0163 + 0.0000i 0.0107 + 0.0000i -0.0535 - 0.0242i -0.0535 + 0.0242i 0.2213 - 0.0000i 0.1987 - 0.0000i 0.0077 + 0.0010i

15、 0.0077 - 0.0010i -0.0196 + 0.0000i 0.0199 + 0.0000i (3配置要求 (AC的特征值 :將 A 的特征值中模最小的特征值配置為 -1LC:>> LC=-0.3134 + 2.1844i;-0.3134 - 2.1844i;-0.7057;-1 LC =(4模態(tài)可控陣,模態(tài)可觀陣P:R:>> P=inv(U*BP =>> R=conj(U'*CR =(5比例控制器增益K:>> K1=P(4,1*(LC(4-L(4,4/(P(4,1*P(4,1+P(4,2*P(4,2 K1 =>>

16、 K2=P(4,2*(LC(4-L(4,4/(P(4,1*P(4,1+P(4,2*P(4,2 K2 =>> K=K1;K2K =(6狀態(tài)反饋增益陣G:>> G=K*conj(V(:,4'G =-0.0364 - 0.0000i 0.0222 + 0.0000i 0.4119 + 0.0000i 0.0413 + 0.0000i -0.0948 - 0.0000i 0.0578 + 0.0000i 1.0735 - 0.0000i 0.1077 - 0.0000i (7閉環(huán)系統(tǒng)矩陣及其特征值A(chǔ)C:>> AC=A+B*GAC =0.8285 + 0.00

17、00i -0.0584 - 0.0000i -0.9411 + 0.0000i -0.0645 + 0.0000i 0 1.0000 0.3096 0 LC:>> LC=eig(ACLC =(8狀態(tài)觀測器的形式 (使用公式編輯器編輯式 2-170和 2-171FzMy +=(9狀態(tài)觀測器各參數(shù)的確定 狀態(tài)觀測器的系統(tǒng)矩陣特征值取:-(自己學(xué)號最后一位 +1, - (自己學(xué)號最后一位 +2:>> theta=-9,0;0,-10theta =-9 00 -10M:>> M=1,0.5;0.5,1M =T:F:function T,F=FObserveT(eva

18、,P,R,M,thetan=size(eva;n,l=size(R;MRT=M*conj(R'for i=1:1:n-lfor j=1:1:nT(i,j=MRT(i,j/(eva(j,j-theta(i,i;endendF=T*P;T,F=FobserveT(L,P,R,M,thetaT =F =(10模態(tài)與輸出之間的關(guān)系 (用輸出表示模態(tài) INVN=L1, L2:>> N=conj(R'TN =25.2653 25.2653 15.8242 -4.0300 -1.3362 + 0.7847i -1.3362 - 0.7847i 1.4371 2.5216 2.67

19、39 - 0.6272i 2.6739 + 0.6272i 1.9945 -0.3118 1.1271 - 0.1732i 1.1271 + 0.1732i 1.0059 0.0513 >> INVN=inv(NINVN =1.0e+002 *-0.0060 - 0.0032i -0.0562 - 0.0223i -0.2624 - 0.0944i 0.6957 + 0.2698i -0.0060 + 0.0032i -0.0562 + 0.0223i -0.2624 + 0.0944i 0.6957 - 0.2698i 0.0155 - 0.0000i 0.1414 - 0.00

20、00i 0.6569 - 0.0000i -1.7387 + 0.0000i -0.0173 + 0.0000i -0.1501 + 0.0000i -0.7113 + 0.0000i 1.8963 - 0.0000i >> L1=INVN(:,1:2L1 =>> L2=INVN(:,3:4L2 =1.0e+002 *(11狀態(tài)反饋的實現(xiàn) (用輸出表示輸入 GUL1, L2:>> GUL=G*U*INVNGUL =1.0e+003 *-0.0036 + 0.0000i -0.0311 + 0.0000i -0.1474 + 0.0000i 0.3930 -

21、0.0000i -0.0093 + 0.0000i -0.0811 + 0.0000i -0.3842 + 0.0000i 1.0243 - 0.0000i (12帶有狀態(tài)觀測器的原始系統(tǒng)方程 (查看特征值 系統(tǒng)矩陣 AA:>> AA(1:4,1:4=AAA =-14.2960 -1.0541 1.1395 00.7717 -0.0238 -0.2981 00 1.0000 0.3096 0AA(1:4,5:6=0AA(5:6,1:4=M*C'AA(5:6,5:6=thetaAA =-0.0981 0.2957 -0.9950 0.1338 0 0 -14.2960 -1.

22、0541 1.1395 0 0 0 0.7717 -0.0238 -0.2981 0 0 0 0 1.0000 0.3096 0 0 0AA =-0.0981 0.2957 -0.9950 0.1338 0 0 -14.2960 -1.0541 1.1395 0 0 0 0.7717 -0.0238 -0.2981 0 0 0 0 1.0000 0.3096 0 0 0 0 1.0000 0.5000 0 0 0 0 0.5000 1.0000 0 0 0AA =-0.0981 0.2957 -0.9950 0.1338 0 0 -14.2960 -1.0541 1.1395 0 0 0 0.

23、7717 -0.0238 -0.2981 0 0 0 0 1.0000 0.3096 0 0 0 0 1.0000 0.5000 0 -9.0000 0 0 0.5000 1.0000 0 0 -10.0000 系統(tǒng)方程 :z F B x AA z F B x MC A x T +=+=0 AA 特征值:>> eig(AAans =(13帶有狀態(tài)觀測器的閉環(huán)系統(tǒng)方程 (查看特征值 系統(tǒng)矩陣 AAC:>> AAC(1:4,1:4=A+B*G*U*L1*C'AAC(1:4,5:6=B*G*U*L2;AAC(5:6,1:4=M*C'+F*G*U*L1*C

24、9;AAC(5:6,5:6=theta+F*G*U*L2AAC =1.0e+003 *Columns 1 through 50 0.0010 0.0003 0 0Column 6>> real(AACans =1.0e+003 *20210.0008 0.0056 0.0483 0 0.2302 -0.6136 0 0.0010 0.0003 0 0 0 0 0.0059 0.0431 0 0.1930 -0.5384 0 0.0031 0.0239 0 0.1087 -0.2997 閉環(huán)系統(tǒng)方程 :=+=x AAC z F B x MC A x T 0 AAC 特征值 :>

25、> eig(AACans =22(三 實驗三 飛行器爬升率與空速的保持與指令控制1.實驗要求: (1 會寫出輸出方程; (2 會進行狀態(tài)反饋的設(shè)計實現(xiàn)飛行器爬升率與空速的保持; (3 掌握非零平衡點的概念; (4 會在保持的基礎(chǔ)上實現(xiàn)飛行器爬升率與空速的指令控制;(5 會用 Matlab 的 simulink 工具進行飛行器控制仿真。2. 實驗過程:(從 Matlab 的工作區(qū)中將輸入和計算過程復(fù)制粘貼過來, 可以改變一下字體大 小和格式 教材第 98頁例 8 (完整數(shù)學(xué)模型參考 81頁例 1 (1 飛機穩(wěn)態(tài)時的數(shù)學(xué)模型 (帶有風(fēng)干擾 WAx+Bz+GW=0 Cx+Dz+HW=y 狀態(tài)變

26、量 x :q w u 輸入變量 z :t e 輸出變量 y(有無風(fēng)干擾時不同參考式 5-8和式 5-72 :+-w w w h u u擾動變量 W :w w w u矩陣 A:-0. 00. 10. 00. 00. 098. 296. 3191. 00. 076. 102. 2370. 0322. 00. 0036. 0045. 0矩陣 B:23-0000. 110282. 00. 10矩陣 C:-76. 10100001矩陣 D:0000矩陣 G(有風(fēng)干擾時 :-0096. 3191. 002. 2370. 0036. 0045. 0矩陣 H(有風(fēng)干擾時 :-1001(2 非零平衡點 (考慮風(fēng)

27、干擾驗證式 5-8a . 求出矩陣 IMN 和 MN:IMN 121214W z x =22224222224224244400I H D C G B A 121214W z x =1212140W y IMN=A B G;C D H;zeros(2,4 zeros(2,2 eye(2IMN =121214W z x =MN1212140W y =222242222242242444ff ffff ff ff ff ffff ff1212140W y24MN=inv(IMNMN =b . 求出矩陣 M , N 。 45(ss s -=y N M x zM=MN(1:4,5:6 M =1.000

28、0 0 -0.1954 0 0.0000 0 -0.1110 0.5682 N=MN(5:6,5:6 N =0.0877 0 0.0163 0.1830 (3 非零平衡點 (不考慮風(fēng)干擾 a . 求出矩陣 IMN 和 MN:IMN 1214z x =22422444D C B A 1214z x =12140y IMN=A B;C D IMN =-0.0450 0.0360 0 -0.3220 0 1.0000 -0.3700 -2.0200 1.7600 0 -0.2820 0 0.1910 -3.9600 -2.9800 0 -11.0000 0 0 0 1.0000 0 0 0 1.00

29、00 0 0 0 0 0 0 -1.0000 0 1.7600 0 01214z x =MN12140y =22422444ff fffff 12140y MN=inv(IMNMN = 0 0 0 0 0 1.0000 0 -0.5212 0.0000 -0.2962 0.1876 -0.0766 0 0.0134 -0.0000 0.0076 -0.0957 0.0020 0.9572 1.0000 0.5439 -0.6155 0.1407 0 1.0000 0 -0.1954 0 0.0000 0 -0.1110 0.5682 0.0877 0 0.0163 0.1830 b 求出矩陣

30、M，N。 ê M=MN(1:4,5:6 M= 1.0000 0 -0.1954 0 0.0000 0 -0.1110 0.5682 N=MN(5:6,5:6 N= é x s ù éM ù ú = ê úy s ë zs û ë N û (5 - 4 0.0877 0 0.0163 0.1830 (4 保持和指令控制(不考慮風(fēng)干擾 a 狀態(tài)反饋增益陣 F。( z=-Fx，de=0.309q, d t=0 F=0 0 0 0.309;0 0 0 0 F= 0 0 0 0.3090 0 0 0 0 b 求出 NFM。u = -F(x -xs +us = - Fx+ Fxs+ us =(N+FMyc - Fx=NFMyc - Fx N