某无人机的纵向控制律设计仿真分析

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1、第28卷第1期计算机仿真2011年1月文章编号：1006—9348(2011)Ol一0024—03某无人机的纵向控制律设计仿真分析蒋静(电子科技大学空天科学技术研究院。四川成都6l0054)摘要：介绍无人机飞行控制设计结构和仿真方法。通过对飞机本体建模和控制律建模，分析了无入机自主飞行时纵向的控制方法，同时给出建模依据和关键点。以nmtlab为仿真平台进行本体建模和线性化分析，再把俯仰角和高度保持作为纵向控制律设计需求，并通过对增益的调节得到一个无人机自主飞行时稳定可控的控制律，并且设计增加补偿器来减小稳态误差，通过仿真结果证明这种方法的合理性。关键词

2、：无人机；仿真；控制律；稳态误差中圈分类号：V271．4文献标识码：BLongitudinalControlforUAVaIIdSimlllationJIANGJing((Unive糟i哆ofElectⅫlicSci衄ce鲫dTech∞IogyofChj珊，CherIgduSichu柏610054，Chi∞)ABSTRACT：11lisp叩eri咖ducesUAVcontImk哪明dsimulationmethodand叽aly跹showtodesi印longimdinalconndlawbydesi删ngairc阳血model卸dcon咖lmodel

3、．Pe而咖gimulati∞wimMAl-LAB，“ne撕zet王坨UAVair-c珊Il埘el，tIlenadjust明d船tiII眦g函Ⅱsto耻lI沱asinlplePitch—attitude—hold锄dahitude—holdaut叩ilot．Andpmmotethec鲫penBatorto爵et8Ⅱm他steady—stateer∞r．AuresuhshaⅣebeenverifiedbysim山ionfigu陀s．KEYWORDS：UAV；SimIllati明；ContmlhⅣ；Steady—statee珊r1引言本文将要讨论的是一个军用

4、无人机控制律设计仿真全过程。此设计仿真是基于MATLAB仿真平台，将无人机的整个设计仿真过程分为四步：飞机本体模型建立、控制增稳回路设计、制导控制逻辑回路设计。其中飞机本体模型与两个控制回路构成一个闭环系统。2飞机本体模型的建立忽略飞机弹性变形和振动，飞机的运动可以看成包含六个自由度的刚体运动。飞机本体建模就是建立六自由度运动方程，其一部分称为动力学方程组即以牛顿第二定律为基础，一部分通过坐标转换关系得出运动学方程组。利用方程组就得出三个方向的力和三个方向的力矩，就可以知道飞机在空间上是怎么运动的。飞机在飞行时受气动力、发动机推力和重力等影响，则飞机本

5、体模型就需要包括气动了模型、质量模型、环境模型、传感器模型、起落架模型、地面模型等。将飞机本体模型建立好后，就可以对飞机本体进行操稳特性分析，从而进行控制律设计。收穑日期：20lO一1l—09—24～3控制律设计3．1控制增稳回路控制增稳回路是利用角速度、过载以及气流角等快运动变量反馈，设计兼顾飞机的稳定性与操纵性。与制导控制回路相对应，又称为内回路，也称为快回路控制律设计，而且它也分为纵向和横向控制增稳回路。纵向增稳回路控制的是法向过载以及俯仰角速率。横航向增稳回路控制的是滚转角速率、偏航角速率和横向过载以及侧向过载。3．2制导控制逻辑回路制导控制逻

6、辑回路也就是我们习惯称呼的外回路，包括飞行任务管理模块和制导规律模块。飞行任务管理可以根据无人机当前的飞行状态、飞行阶段选择合适的制导策略调度相应的制导规律，协调整个控制系统运行。而制导规律根据任务管理模块给出的飞行阶段信息，读取航路特征值，形成纵向和横航向制导回路指令(如俯仰角指令、滚转角指令、偏航角指令等)，并且通过控制回路实现对航路的跟踪，从而实现自主飞行。飞行制导规律控制分为纵向控制和横航向控制。根据任务管理模块给出纵向控制指令如常有的高度指令、迎角指令、俯仰角指令，通过纵向控制回路控制无人机爬升或者下降。根据任务管理模块给出的横航向控制指令如

7、滚转角指令、偏航角指令等，通过横航向控制回路控制无人机偏离原来航向位置转为新航迹方向。由此可以使无人机沿着事先的航迹规划自主飞行。3．3执行机构(舵回路)飞行控制系统的舵回路．是由放大元件、舵机和反馈元件组成的自动控制系统——伺服操纵系统。它根据控制器输出的舵面偏度指令控制舵面的偏转量。4仿真模拟分析本文以纵向为例，通过力学关系可以建立飞机的纵向运动方程。把作用在飞机上的力按照气流坐标系建立，力矩按照机体坐标系建立飞机的纵向运动方程如下，且三个方程分别称作切向力方程、法向力方程和纵向力矩方程：m堡!：Pco。a一盖一岛in日my磐=Psi衄+y—Gc。

8、sp(1)df、‘7tz粤：Mzdf‘其中，m是飞机的质量，G是飞机重力，P是飞机的推力，y和