四旋翼飞行器控制系统稳定性能研究

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1、第33卷第04期计算机仿真2016年4月文章编号：1006—9348(2016)04—0049—04四旋翼飞行器控制系统稳定性能研究罗云林1，李硕1，张自力1，马光2(1．中国民航大学航空自动化学院，天津300300；2．北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北廊坊065000)摘要：针对四旋翼飞行器是一个复杂的非线性、强耦合且易受干扰的控制系统，稳定性和动态性能存在矛盾，具有良好动态性能的四旋翼却很难达到理想的稳定控制。为解决传统四旋翼设计中只追求保持平稳悬停的静态稳定性，忽略动态调整时稳定性的问题，并克服大幅度干扰信号或姿态调节信号产生的发散式抖

2、动，以及提升四旋翼的稳定性能和抗干扰性能等困难，提出一种采用Ziegler—Nichols方法参数整定PID的四旋翼控制方案，分析系统模型推导出优化的PID参数。实验结果表明，改进方法使四旋翼良好地跟踪给定信号，既能保持平稳悬停，又能应对大幅度动态调整，解决了传统四旋翼不能兼顾静态稳定性和动态稳定性的问题，为提升四旋翼稳定性能提供了一种科学方法。关键词：四旋翼飞行器；齐格勒尼克尔斯方法；算法；控制系统；仿真中图分类号：TP391．9文献标识码：BResearchonStabilityofQuad—-RotorAircraftControlSystem

3、LUOYun—linl，LIShu01，ZHANGZi—lil，MAGuan92(1．SchoolofAviationAutomation，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China；2．SchoolofElectronicandControlEngineering，NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering，Langfang065000，China)ABSTRACT：Quad—rotoraircraftisacomplicatednonlinear，s

4、trongcouplingcontrolsystemsusceptibletointerfer-enee，andthereisacontradictionbetweenflightstabilityanddynamicperformance，SOitisdifficulttoobtainidealcontroleffect．Inthepaper，weputforwardacontrolalgorithmbasedonZiegler—Nicholsmethodtosetparameterforquad—rotoraircraft．Thesystemmo

5、delWasanalysedforderivingoptimizationalparametersofPID．Experimentalre·suitsshowthattheimprovedmethodCanmakequad—rotortrackinputsignalswell．Basedonthismethod，thequad——rotorcankeephoveringsteadilyandcopewithlargeamplituderegulating．Thismethodprovidesascientificmeansforthestabilit

6、yofquad—rotoraircraftcontrolsystem．KEYWORDS：Quad—rotoraircraft；Ziegler—Nicholsmethod；Algorithm；Controlsystem；Simulation1引言四旋翼飞行器是一种垂直起降型的无人机，在航空航天领域中属于新兴领域¨J。它的特点是体积小、质量轻、动态性能好，多用来执行监视、侦察、小规模军事攻击的任务。由于四旋翼飞行器可以完成高风险的任务，具有低成本、低伤亡率、可重复使用等优势，其在军事领域的应用拥有无可替代的地位心qJ。同时，四旋翼飞行器控制系统的设计与研

7、究是集多领域学科的综合项目，涉及动力学、电子技术、控制理基金项目：北华航天工业学院科研青年基金(KY一2013一15)收稿日期：2015—06—16修回日期：2015-07一04论等学科。随着众多科研人员投入到四旋翼控制系统的研究，也会推动计算机仿真、控制算法、数据融合、导航系统等许多科学领域的发展。因此，四旋翼飞行器在科学研究、工程应用中拥有很大的发展前景。41。由于四旋翼飞行器属于欠驱动控制系统，非线性强、耦合度高而且易受干扰，先进控制方案才能使四旋翼稳定飞行。提高四旋翼稳定性能的方法有很多：文献[5]建立了四旋翼飞行器三维空间动力学模型，采用非

8、线性控制算法为四旋翼飞行器稳定性能提供了帮助。但是非线性控制只考虑了几种特殊的非线性因素为基本研究对象，考虑