基于滑模理论的四旋翼直升机的姿态控制研究（王丽新）

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1、基于滑模理论的四旋翼直升机的姿态控制研究答辩人：王丽新导师：郑艳副教授绪论四旋翼直升机的模型优化四旋翼直升机的最终滑模控制器设计具有非匹配不确定性的四旋翼的滑模控制结论与展望2021/7/23控制理论与导航技术研究所第一章绪论四旋翼直升机是一种垂直起降式直升机，在军事和民用方面都具有广阔的应用前景，近年来，四旋翼直升机已经引起了人们的高度关注，许多研究机构正致力于这方面的研究。四旋翼直升机的控制系统是典型的多输入多输出高阶系统，具有较强的通道耦合、非线性、干扰敏感等特性，是较为复杂的被控对象。2021/7/23控制理论与导航技术研究所

2、第一章绪论飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系，姿态控制是整个飞行控制关键，如何设计一种既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰能力的姿态控制器成为四旋翼无人直升机飞行控制技术中一个亟待解决的问题。2021/7/23控制理论与导航技术研究所最终滑模控制是滑模控制中的一种，主要针对多输入多输出系统的设计方法，系统存在匹配不确定性时具有较强的鲁棒性，优点是避免了多输入系统存在多个滑动模态的情况，使系统按照期望的动态品质到达最终滑动模态。改善了变结构控制系统的动态品质。线性矩阵不等式（LMI）方法能够处理滑模控制中存在非匹配不确定性。采用LM

3、I技术设计鲁棒滑动模面与控制器，保证控制系统的稳定性。第一章绪论2021/7/23控制理论与导航技术研究所第一章绪论本文结合四旋翼直升机特点，针对其姿态控制进行了研究，通过简化数学模型，得到三输入三输出的状态方程。考虑到最终滑动模态的优点，设计了基于最终滑动模态变结构控制器；针对系统中存在非匹配不确定性采用LMI方法设计了滑模变结构控制器，并通过仿真验证了控制器的有效性。2021/7/23控制理论与导航技术研究所第二章四旋翼直升机的模型优化俯仰角滚转角偏航角动力学模型2021/7/23控制理论与导航技术研究所第二章四旋翼直升机的模型优

4、化状态空间方程控制输入为输出为（2.1）原状态方程变换为（2.3）令（2.2）2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究系统状态进入最终滑动模态的顺序被固定，快速性差，控制过程较长顺其自然的趋势进入下一个滑动模面，控制随机直接进入最终滑动模态快速性好问题描述2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究控制对象为（3.1）c.参数摄动满足：d.外界干扰满足：其中为正常数为完全可控阵对a.非奇异不失一般性，控制矩阵b.【假设】控制对象及控制结构2021/7/23控制理论与导航技术研

5、究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究线性控制项改变系统的动态特性，克服变结构控制系统中的不确定，保证最终滑动模态的的可达性控制结构如下（3.2）主要是求取满足关系式（3.3）2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究为了保证滑动模态的可达性，作非奇异线性变换如下(3.4）则且非奇异最终滑动模态等效为（3.5）2021/7/23控制理论与导航技术研究所线性部分控制器为（3.6）式中，为Hurvitz矩阵根据设计指标确定，线性控制项仅保证系统状态无限的趋近于最终滑动模态，但是系统必须要有限时间内到达滑模面，这由

6、非线性项来完成。第三章四旋翼的最终滑模控制研究2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究非线性部分控制器因为设计矩阵为Hurvitz矩阵，存在对称正定矩阵满足Lyapunov方程。（3.7）（3.9）选取矩阵显然，满足关系式非线性控制项取为（3.8）2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究仿真研究--最终滑动模态与指数趋近律控制相比较图1(a)指数趋近律下姿态角速度响应曲线图1(b)最终滑动模态控制姿态角速度响应曲线状态曲线2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四

7、旋翼的最终滑模控制研究图2(a)指数趋近律下切换函数曲线图2(b)最终滑动模态下切换函数曲线滑模面曲线2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究图3(a)指数趋近律控制器输出曲线图3(b)最终滑动模态控制下控制输出曲线控制输出曲线2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究图4(a)加入不确定状态曲线图4(b)加入不确定滑模面曲线最终滑动模态控制-加入参数摄动与干扰2021/7/23控制理论与导航技术研究所第三章四旋翼的最终滑模控制研究图5最终滑动模态控制加入干扰、参数摄动控制

8、曲线2021/7/23控制理论与导航技术研究所第四章非匹配不确定性的滑模控制考虑含有非匹配时变不确定的线性系统：（4.1）假设4.1：是可控的，是满秩的。假设4.2:范数有界的；干扰满足其中是已知常数。问题描述2021/