控制系统实践教学资料：直升机实验报告

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1、研究生控制系统实践实验地点：A区主楼519房间姓名：胡红伟实验日期：2016年4月16日斑号:15S0451学号:15S004086机组编号：同组人：许林杨，张延琪，邱化强，张登辉成绩：教师签字:三自由度直升机系统实验报告主编：钱玉恒，杨亚非哈工大航天学院控制科学实验室三自由度直升机控制系统实验报告一、实验内容1、熟悉直升机控制系统的结构和原理；2、了解直升机物理模型建模与控制器设计；3、掌握PID控制实验设计与仿真；4、掌握LQR控制实验与仿真；5、掌握模糊控制器设计实验与仿真；二、实验设备1、三自由度直升机控制系统一套直升机控制系统

2、包括三自由度直升机控制器、直升机本体实验装置等组成。在直升机本体上有起动/停止电源开关，螺旋浆起动/停止开关。2、直升机控制系统计算机部分直升机控制系统计算机部分主要有计算机、SV-400控制卡等；三、实验步骤1、系统实验的线路连接三自由度直升机木体与计算机全部采用标准线连接，电源部分有标准电源线，在试验前，实验装置的线路已经连接完毕。2、启动实验装置通电Z前，请详细检察电源等连线是否正确，确认无误后，可接直升机本体电源，随后起动计算机和控制器。3、系统实验的参数调试根据仿真的数据及控制规则进行参数调试（P1D、LQR、模糊等），直到获

3、得较理想参数为止。四、实验要求1、学生上机前要求学生在实际上机调试之前，必须用口己的计算机，对系统的仿真全部做完，并且经过老师的检查许可后，才能申请上机调试。2、学生上机要求上机的同学要按照要求进行实验，不得有违反操作规程的现象，严格遵守实验室的有关规定。五、系统建模思考题1、写出系统方程式，并进行描述，写出推理过程？1）俯仰轴数学模型分析Fh图5-1俯仰轴的动力学示意图由图知，俯仰运动转矩由两个螺旋桨电机产生的升力用和用来产生，其升力为仇=儿+凡。当升力几提供的转矩大于阻力转矩时，直升机上升，反之直升机下降。假定直升机悬在空中，俯仰角

4、保持水平状况,即俯仰角为+30度（本系统定义+30度角为俯仰轴的水平位置）。其俯仰运动的动力学平衡方程：以=1片・珥r=Fh=F^F2（5-1-1）=i^ys-ts〈咄+冬俯仰运动动力学微分方程：Je£=l,KyrTg（5-1-2）结论：俯仰运动加速度是螺旋桨电压和人的函数。必是俯仰轴的转动惯，J严叫片+叫I；如沪为1.8145；冷％是两个电机的电压，它们分别产生升力凡忌&、是螺旋桨电机的升力常数，为无刷电机的固定参数，为12A/r；厶是支点到电机的距离，0.88m；厶是支点到平衡块的距离，0.35m；7；是俯仰轴产生的重力矩，7；涸厂

5、叫爲=3.748际必加分别是螺旋桨部分和平衡块的质量，分别为1.8転和3.433転;€是俯仰轴的俯仰角的加速度。2）横侧轴数学模型分析图5-2横侧轴的动力学示意图两个螺旋桨产生的升力控制着横侧轴向上运动，如果月（一号螺旋浆）产生的升力大于尺（二号螺旋浆）产生的升力，两个升力就会使横侧轴发生倾斜，使螺旋桨产生一个侧向力，此侧向力将带动直升机围绕基座旋转。横侧运动动力学平衡方程:Jpp=F』p・FJp1JPP=KC1P（V,-V2）（5-2-1）IJpp=KclpVd横侧运动动力学微分方程：Jpp=KJpVd（5-2-2）仏是横侧运动的转动

6、惯量，为0.0252W；厶是横侧轴支点到电机的距离，为0.17/Z/；p是横侧运动的转动加速度。结论：横侧运动转旋转加速度是螺旋桨电压差仏的函数。3）旋转轴数学模型分析图5-3旋转轴的动力学示意图螺旋桨横侧轴倾斜时产生水平方向分力。横侧角一般为5度左右，其水平分量会产生旋转力矩，此旋转力矩产生旋转加速度。旋转运动动力学方程：J/=l^sinfp)(5-3-1)/是旋转速度，单位是rad/sec；p是横侧角；sin(p)是横侧角正弦值；结论：旋转运动加速度和横侧角成比例关系。4)直升机数学模型简化①俯仰运动数学模型简化根据俯仰运动动力学方

7、程，重力矩厶=3・75川.加，同电机力矩相比较，的影响很小，分析时可忽略，这样便于进行二阶系统设计。5T-2式可简化：Je£=l]KVs(5-4-1)②旋转运动数学模型简化通常因横侧角较小(约5度左右)，可令sin(p)^poP—0pfOFhcos{p)—Gsin(p)-p5-3-1式可简化：J(r=l,Gp(5-4-2)5)直升机数学模型方程组及传递函数建立依上述分析得动力学方程组(5-5-1)(5-5-2)-冷=心、JP=jQp对5-5-1式进行Laplace变换:rJMdWs)■SJpP(s)s'KJpVd(s)J,R(s)s=I

8、fiP(s)5-5-2式求出传递函数一E(s)l,Kc1(Ge(s)=--^=^x—匕(s)s-P匕何Jps2gq_R⑸」QJI*)帀对5-5-1式进行转换JesJe1Je-严乞x“乞"•乞"JpJpJp-