多旋翼无人机远程控制实践 课件 ch06

跟踪控制器设计实验多旋翼无人机远程控制实践第6章01实验原理系统模型系统模型高度通道高度通道具有如下模型:偏航通道考虑半自主飞控的偏航角速率反馈，可以认为，偏航通道具有如下模型:系统模型水平通道水平通道模型可以描述如下：当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量得到的是被控变量的实际值，将其与期望值相比较，用两者的偏差来校正系统的响应。在工程实际中，应用最为广泛的调节器为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器控制器设计(1)比例控制比例控制(P)是一种最简单的控制方式，其输出与输入误差信号呈比例关系。(2)积分控制积分控制(I)，就是在出现稳态误差时自动改变控制器输出量，以消除稳态误差当系统存在误差时，进行积分控制，根据积分时间的大小，控制器的输出会相应的变化减小误差。只要误差还存在，就会不断进行调整。PID控制器控制器设计(3)微分控制微分控制(D)的功能是通过误差的变化率预报误差信号的未来变化趋势。通过提供超前控制作用，微分控制能使被控过程趋于稳定。PID控制器控制器设计(1)高度通道控制器具体设计控制器设计(2)偏航通道(3)水平通道02基础实验实验步骤1、整体模型打开Simulink文件“e3\e3.1sim1.0\e31TFTrajectoryFollowingSegment.slx”。2、期望输入模块打开“ControlInput”模块，该模块包含了三种不同的期望输入，分别是阶跃信号、圆以及“8”字，每种信号有三种不同的周期。3、控制器模块基础实验中使用的是PID控制器。实验步骤仿真1.0步骤一:阶跃响应运行“e3\e3.1\sim1.0\StartSimulation.m”文件，初始化参数。将“ControlInput”模块的阶跃输入接入，可以得到各通道的阶跃响应输入/输出时间曲线对比图。以水平前向通道为例，仿真结果如图6.7所示。从图中可以看到，响应曲线有一定的超调并且响应时间较慢，读者可以调节PID控制器的参数获得更好的控制效果。实验步骤实验步骤仿真1.0步骤二:圆轨迹跟踪将“ControlInput模块的三种不同周期的圆轨迹信号接入，以水平前向通道为例其仿真结果如图6.8至图6.9所示。为获得更好的对比效果，将不同周期输入激励下的水平两方向通道响应画到一张图中，如图6.11所示。从图中可以看出，随着周期的增大,多旋翼对期望曲线的跟踪效果更加理想。实验步骤实验步骤仿真1.0步骤三:“8”字轨迹跟踪将“ControlInput”模块的三种不同周期的“8”字轨迹信号接入，以水平前向通道为例，其仿真结果如图6.12至图6.14所示。为获得更好的对比效果，将不同周期输入激励下的水平两方向通道响应画到一张图中，如图6.15所示。从图中可以看出，随着周期的增大，多旋翼对期望曲线的跟踪效果更加理想。实验步骤实验步骤实验步骤仿真2.0打开Simulink文件“e3\e3.1\sim2.0”，其中的闭环系统结构与“e3\e3.1\sim1.0”相同，区别在于其中的模型为非线性模型。采用与传递函数模型实验中完全相同的实验步骤，将两种模型的关键结果进行对比。对比结果图6.16和图6.17可以看出，我们采用系统辨识获得的模型进行跟踪控制器设计，可以产生与基于非线性模型设计非常接近的效果。同时也可以在FlightGear中查看仿真飞行效果。实验步骤03分析实验实验步骤步骤一:速度环分析整体模型如图6.18所示，这里以水平前向通道为例。仿真1.0实验步骤仿真1.0输入点设置输出点设置得到图Bode实验步骤仿真1.0步骤二:得到传递函数模型；步骤三:调整开环增益；步骤四:设计速度控制环校正器；步骤五:将校正器加入速度控制环中；步骤六:设计位置控制环校正器；步骤七:圆轨迹跟踪结果。仿真1.0实验步骤实验步骤步骤四实验步骤步骤五实验步骤步骤六实验步骤步骤七实验步骤步骤七打开Simulink文件“e3\e3.2\sim2.0”，其中的闭环系统结构与“e3\e3.2\sim1.0”相同，区别在于其中的模型为非线性模型。采用与仿真1.0中完全相同的实验步骤，并将两种模型的关键结果进行对比,从对比结果可以看出，我们基于系统辨识获得模型设计的跟随控制器，可以产生与基于非线性模型设计非常接近的效果。因此，在接下来的实验中将利用传递函数模型进行跟踪控制器设计。同时也可以在FlightGear中查看仿真飞行效果。仿真2.0实验步骤实验步骤04设计实验实验设计在实际中，自驾仪获得遥控指令，转化为直接控制量控制多旋翼的速度，再通过控制速度控制多旋翼的位置。因此，需要设计位置控制器将位置期望转化为速度期望，再转化为遥控指令期望直接控制多旋翼。至此已经完成了从地球坐标系下水平位置期望向机体坐标系下水平速度期望的转化。接下来需要基于加性分解原理设计控制器来将机体坐标系下水平速度期望转化为多旋翼直接需要的遥控指令期望。实验原理实验设计2、偏航通道。3、水平通道。基于加性输出分解动态逆的设计实验步骤实验模块介绍整体模型控制输入模块控制器模块滤波器模块实验步骤仿真1.0实验步骤仿真1.0实验步骤仿真1.0实验步骤仿真1.0实验步骤仿真1.0实验步骤仿真2.0实验步骤硬件在环仿真05实飞实验实验步骤仿真1.0运行“e3\e3.4\sim1.0\start.m”,“e34trajectoryfollowing.sl