控制系统实践教学资料：直升机实验指导书（学生）0

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1、三自由度直升机系统实验教材钱玉恒杨亚非编哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系2010年5月第一章绪论1.1实验背景21.2三自由度直升机系统实验装置简介2第二章数学模型的建立2.1俯仰轴数学模型分析52.2横侧轴数学模型分析62.3旋转轴数学模型分析62.4直升机数学模型简化72.5直升机数学模型方程组及传递函数建立72.6系统状态空间数学模型的建立72.7螺旋桨电机给定电压的推导8第三章控制器设计3.1PID控制器设计93.2[■一I日J希U-第卷11••••••••••••••••••••••••••

2、•••••••••••••••••••••••••••••••••••!43.3LQR原理与PID原理的比较19第四章控制算法的实物验证试验204.1系统基本参数和特性4.2PID控制器的实物试验224.3LQR控制器的实物试骑254.4模糊控制器的实物试验27第一章绪论1.1实验背景1・1.1实验来源实验基于固高科技有限公司GHP三自由度直升机控制实验系统，这是一个自动控制和航空航天实验系统。该系统是研究直升机飞行控制技术的平台，它主要由电机、电机驱动器、位置编码器、运动控制器及接口板等元件组成。系统可分

3、为直升机实验本体、电控箱及由运动控制卡和PC机组成的控制平台等三大部分。1.1.2实验目的和意义该系统是一个典型的多输入多输出系统能把控制直升机飞行姿态和速度算法在平台上实验，用于实现各种控制算法验证。例如P/D、LQR、Foo和模糊控制等控制算法均可以平台上实验。1.1.3实验研究及分析本系统的特点为多输入/多输出、非线性、强交叉耦合性、传递函数和状态方程不易描述，为控制系统中较为复杂的被控对象。虽然人们在飞行器方面进行过各种算法研究，但大多数研究只局限于仿真平台，仍未摆脱实验对象的理想化模式。此系统不仅

4、具备直升机动力系统和电子控制装置的原理特征，还具备实验性强、实验现象直观的特点。经过实验装置详细分析，系统能建立数学模型。可设WPID控制器、厶0?控制器、模糊控制器等控制策略，实现对系统俯仰和旋转的控制。1.1.4实验内容根据直升机实验平台，分析系统特征（典型多输入-多输出特性、非线性和强交叉耦合性），建立系统数学模型，并设计PID、LQR、Hg和模糊控制等控制器，用MATLAB进行仿真，在控制策略的指导下，实现对直升机实物对彖的俯仰和旋转控制。1.2三自由度直升机系统实验装置简介图1-1直升机实验系统简

5、图控制平台（运动控制卡和PC机）、直升机实验本体、电控箱三大部分组成。平衙块位■传感器1.2.1三自由度直升机系统实验本体主要有以下几个部分组成:♦机械本体♦螺旗桨9机♦位置传咚器♦平衡块♦集电环稣袋桨电机2图1-2系统实验本体（1）螺旋桨与电机直升机木体末端安装了两个螺旋桨，螺旋桨由两个无刷直流电机来驱动产生动力。螺旋桨作用是产生升力或侧旋力，其运动主要靠螺旋桨转速和转速差来控制姿态。（2）编码器安装在支点和两个螺旋桨屮心的编码器能测量直升机俯仰角和横测角，基座转轴处的编码器测量旋转速度。（3）系统实验箱

6、电控箱内安装有如下主要部件：DC24V/6A直流开关电源、电机驱动器、运动控制卡接口板、电源开关等；1.2.2控制平台硬件IBMPC/AT兼容的PC机，带PC7总线插槽；GT400-SV-PCI运动控制卡；123控制平台软件（1）固高系统MATLAB实时控制软件简介基于在教学和工程实验领域广泛应用的MATLABSbnulink平台，固高的三自由度直升机系统MATLAB实时控制软件平台，使该系统的控制实验和先进算法研究变得无比轻松，不用学握编程语言（典型的如C语言）就能做控制理论实验，便于将精力集屮在控制算法

7、研究上，而不是研究很深的硬件接口等内容，该软件能把系统建模、仿真和实时控制整合在一起，其仿真结杲无需太多修改就能在实际物理设备上进行实验验证。（2）MATLAB实时控制软件包括的组件主程序GHC.cpp人机界面程序Face.cpp实时显示程序Draw.cpp实时控制程序Ctrl.cpp硬件接口程序SVPCLcpp固高GT-400-SV运动控制器基本模块；固高三自由度直升机系统的俯仰和旋转的实时控制程序；(3)MATLAB实时控制软件的特点实控软件采用了MATLABSiimdink的实时工具箱人了炉(Real

8、-TimeWorkshop)实现控制任务，专用的实时内核代替Windous操作系统接管了实时控制任务，Sinnrlink软件实验平台具有如下特点：♦系统建模、仿真、实时控制一体化界面；♦基于Windous的图形化操作界面，解决了Windous下对控制的高实时性耍求；♦具有良好的Siimdink控制界面，积木式搭建控制算法；♦实时地在线修改或者调整参数：♦方便对各个输111在线进行观察和记录。1.2.4软件总体设计