控制系统实践教学资料：13组直升机实验报告.docVIP

研究生自动控制专业实验 地点：A区主楼518房间 姓名：胡红伟 实验日期： 2016年 4月 16日 斑号：15S0451 学号： 15S004086 组号：13组 同组人：许林杨，张延琪，邱化强，张登辉成绩： 教师签字： 直升机系统 实验报告 主编：钱玉恒，杨亚非 哈工大航天学院控制科学实验室 直升机控制系统实验报告 一、实验内容 1、PID控制部分 为了调整俯仰轴的稳定（给定俯仰角20°），让横侧轴和旋转轴控制参数全部为0。 1.1 PID控制仿真 PID控制仿真系统 图1. PID控制仿真系统 3个通道的PID控制器结构分别如下 图2. PID控制器结构图 仿真结果 按照实验报告的要求，基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为15°，15°m/s所得到的三个通道的仿真结果分别如下 图3. 基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为20°，15°m/s 1通道仿真结果图 图4. 基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为20°，15°m/s 2通道仿真结果图 图5. 基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为20°，15°m/s 3通道仿真结果图 仿真分析 (1)LQR控制中，系统的快速响应越好，且震荡幅度较小。PID控制中，每个通道的收敛速度及超调不一致。 1.2 实际测试结果 俯仰轴 图6. Kep=1.15、Kei =0.15、Ked =7.3726 由图像可以看出，系统在稳态后的波动较大，所以我们增大阻尼。 图7. Kep=1.15、Kei =0.15、Ked =7.4 将Ked适度增大，可以看出波动确实变小，但是仍不符合期望，此时我们适当调整Kei和Ked。 图8. Kep=1.15、Kei =0.1、Ked =7 从图像中可以看出，曲线的参数符合期望要求的误差为1°，满足控制系统的要求。 加入横侧角和旋转速度控制参数 横侧角控制参数：Kep=0.25、Kei =0.18、Ked =1 旋转速度控制参数：Kep=1.02、Kei =0.4、Ked =0.06 横侧角 图9. Kep=0.25、Kei =0.18、Ked =1 直升机-3°处来回抖动，稳态误差为0.5°。 旋转速度 图10. Kep=1.02、Kei =0.4、Ked =0.06 角度基本均匀增加，旋转角速度基本固定。 仿真与实验的关系 通过以上结果可以对比看出仿真和实际实验结果还是有一定的出入的，但仿真对我们进行实验也起到了一个引导的作用。 2、LQR控制部分 与PID相类似，首先调整俯仰轴，使其稳定。 2.1 LQR控制仿真系统 图10. LQR控制仿真系统 参数初始化过程为 A=[0 1 0 0 0 0 0; 0 0 0 0 0 0 0; 1 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 0 1 0 0; 0 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 2.07 0 0 0; 0 0 0 0 0 1 0] B=[0 5.82 0 0 63.94 0 0;0 5.82 0 0 -63.94 0 0]; C=[1 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 1 0 0 0; 0 0 0 0 0 1 0]; D=[0 0 0;0 0 0]; Q=diag([1 1 1 1 1 1 1]); R=[1 0;0 1]; K=lqr(A,B,Q,R); 仿真结果 按照实验报告的要求，基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为15°，15°m/s所得到的仿真结果分别如下 图11. 基于LQR状态反馈实现俯仰角高度为15°，15°m/s仿真结果图 俯仰轴 K=[1.8 0.5 0.25 0.08 0.15 0.01 0.8 0.5；1 2 0.25 -0.08 -0.15 -0.01 -1 -0.5] 俯仰轴的角度稳态后波动很大，调整K参数。 K=[0.8 0.5 0.25 0.08 0.15 0.01 0.8 0.5；1 2 0.25 -0.08 -0.15 -0.01 -1 -0.5] 系统的稳态误差小于1°，满足控制系统的动态要求。 横侧角 旋转速度 可见LQR的控制效果优于PID控制。 二、试验思考题 分析仿真与实验的关系。 仿真对实验起到引导的作用，而实验又可以验证仿真的正确性。仿真是整个工程的基础，也可以理解为理论设计阶段，实验可以理解为理论的实现与验证。在实际的科学理论研究中，仿真和实验两者互相依存，两者缺一不可。 谈谈实验感受。 本组的控制系统实验为直升机，在开始实验的时候需要明白三个控制量之间的关系，其中俯仰轴为单独闭环，横侧角和旋转速度为联合闭环，需要先忽略横侧角和旋转速度，进行俯仰轴实验，