多旋翼無人機遠程控制實踐 課件 ch06

跟蹤控制器設計實驗多旋翼無人機遠程控制實踐第6章01實驗原理系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型高度通道高度通道具有如下模型:偏航通道考慮半自主飛控的偏航角速率反饋，可以認為，偏航通道具有如下模型:系統(tǒng)模型水平通道水平通道模型可以描述如下：當今的閉環(huán)自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分:測量、比較和執(zhí)行。測量得到的是被控變量的實際值，將其與期望值相比較，用兩者的偏差來校正系統(tǒng)的響應。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器控制器設計(1)比例控制比例控制(P)是一種最簡單的控制方式，其輸出與輸入誤差信號呈比例關系。(2)積分控制積分控制(I)，就是在出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差時自動改變控制器輸出量，以消除穩(wěn)態(tài)誤差當系統(tǒng)存在誤差時，進行積分控制，根據(jù)積分時間的大小，控制器的輸出會相應的變化減小誤差。只要誤差還存在，就會不斷進行調整。PID控制器控制器設計(3)微分控制微分控制(D)的功能是通過誤差的變化率預報誤差信號的未來變化趨勢。通過提供超前控制作用，微分控制能使被控過程趨于穩(wěn)定。PID控制器控制器設計(1)高度通道控制器具體設計控制器設計(2)偏航通道(3)水平通道02基礎實驗實驗步驟1、整體模型打開Simulink文件“e3\e3.1sim1.0\e31TFTrajectoryFollowingSegment.slx”。2、期望輸入模塊打開“ControlInput”模塊，該模塊包含了三種不同的期望輸入，分別是階躍信號、圓以及“8”字，每種信號有三種不同的周期。3、控制器模塊基礎實驗中使用的是PID控制器。實驗步驟仿真1.0步驟一:階躍響應運行“e3\e3.1\sim1.0\StartSimulation.m”文件，初始化參數(shù)。將“ControlInput”模塊的階躍輸入接入，可以得到各通道的階躍響應輸入/輸出時間曲線對比圖。以水平前向通道為例，仿真結果如圖6.7所示。從圖中可以看到，響應曲線有一定的超調并且響應時間較慢，讀者可以調節(jié)PID控制器的參數(shù)獲得更好的控制效果。實驗步驟實驗步驟仿真1.0步驟二:圓軌跡跟蹤將“ControlInput模塊的三種不同周期的圓軌跡信號接入，以水平前向通道為例其仿真結果如圖6.8至圖6.9所示。為獲得更好的對比效果，將不同周期輸入激勵下的水平兩方向通道響應畫到一張圖中，如圖6.11所示。從圖中可以看出，隨著周期的增大,多旋翼對期望曲線的跟蹤效果更加理想。實驗步驟實驗步驟仿真1.0步驟三:“8”字軌跡跟蹤將“ControlInput”模塊的三種不同周期的“8”字軌跡信號接入，以水平前向通道為例，其仿真結果如圖6.12至圖6.14所示。為獲得更好的對比效果，將不同周期輸入激勵下的水平兩方向通道響應畫到一張圖中，如圖6.15所示。從圖中可以看出，隨著周期的增大，多旋翼對期望曲線的跟蹤效果更加理想。實驗步驟實驗步驟實驗步驟仿真2.0打開Simulink文件“e3\e3.1\sim2.0”，其中的閉環(huán)系統(tǒng)結構與“e3\e3.1\sim1.0”相同，區(qū)別在于其中的模型為非線性模型。采用與傳遞函數(shù)模型實驗中完全相同的實驗步驟，將兩種模型的關鍵結果進行對比。對比結果圖6.16和圖6.17可以看出，我們采用系統(tǒng)辨識獲得的模型進行跟蹤控制器設計，可以產(chǎn)生與基于非線性模型設計非常接近的效果。同時也可以在FlightGear中查看仿真飛行效果。實驗步驟03分析實驗實驗步驟步驟一:速度環(huán)分析整體模型如圖6.18所示，這里以水平前向通道為例。仿真1.0實驗步驟仿真1.0輸入點設置輸出點設置得到圖Bode實驗步驟仿真1.0步驟二:得到傳遞函數(shù)模型；步驟三:調整開環(huán)增益；步驟四:設計速度控制環(huán)校正器；步驟五:將校正器加入速度控制環(huán)中；步驟六:設計位置控制環(huán)校正器；步驟七:圓軌跡跟蹤結果。仿真1.0實驗步驟實驗步驟步驟四實驗步驟步驟五實驗步驟步驟六實驗步驟步驟七實驗步驟步驟七打開Simulink文件“e3\e3.2\sim2.0”，其中的閉環(huán)系統(tǒng)結構與“e3\e3.2\sim1.0”相同，區(qū)別在于其中的模型為非線性模型。采用與仿真1.0中完全相同的實驗步驟，并將兩種模型的關鍵結果進行對比,從對比結果可以看出，我們基于系統(tǒng)辨識獲得模型設計的跟隨控制器，可以產(chǎn)生與基于非線性模型設計非常接近的效果。因此，在接下來的實驗中將利用傳遞函數(shù)模型進行跟蹤控制器設計。同時也可以在FlightGear中查看仿真飛行效果。仿真2.0實驗步驟實驗步驟04設計實驗實驗設計在實際中，自駕儀獲得遙控指令，轉化為直接控制量控制多旋翼的速度，再通過控制速度控制多旋翼的位置。因此，需要設計位置控制器將位置期望轉化為速度期望，再轉化為遙控指令期望直接控制多旋翼。至此已經(jīng)完成了從地球坐標系下水平位置期望向機體坐標系下水平速度期望的轉化。接下來需要基于加性分解原理設計控制器來將機體坐標系下水平速度期望轉化為多旋翼直接需要的遙控指令期望。實驗原理實驗設計2、偏航通道。3、水平通道?；诩有暂敵龇纸鈩討B(tài)逆的設計實驗步驟實驗模塊介紹整體模型控制輸入模塊控制器模塊濾波器模塊實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真1.0實驗步驟仿真2.0實驗步驟硬件在環(huán)仿真05實飛實驗實驗步驟仿真1.0運行“e3\e3.4\sim1.0\start.m”,“e34trajectoryfollowing.sl