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基于LQR和H∞的三自由度直升机多模型控制器设计

刘志超  
【摘要】:本文主要以三自由度直升机作为主要的研究对象。首先通过对三自由度直升机系统的机理特性进行分析,开展了三自由度直升机实验装置的建模工作,给出了系统的运动方程。 基于对系统模型的总体分析,可以发现该系统存在非线性特性以及抗干扰难点等问题。针对模型的特点,在一定的条件下首先对系统做线性化的近似,得到其线性状态方程,然后在线性状态方程的基础上,应用最优二次型调节器(LQR)设计的原理,得到了其基于LQR的最优状态反馈调节器。从实验的结果分析,由于系统的近似,很难得到在整个高度轴控制区间的最优控制效果。 由于LQR状态反馈控制在非线性模型应用中存在的问题,为了对系统的性能进行提升,本文首先将整个高度轴分为多个控制区间,分别进行控制器参数设计。通过使用模糊逻辑控制器对高度给定量进行提取,输出给各个控制器其比例权重系数,再对各控制器的输出量进行加权平均,得到多模型控制器的输出,实现多模型分段控制器设计以及各个状态之间的平滑切换。在对LQR的鲁棒控制区间进行分析后,将整个高度轴的控制区间分为三段,然后对每一段分别设计参数,通过仿真和实验的结果可以看出通过模糊逻辑设计的LQR分段多模型控制器,可以有效地提升LQR状态反馈在非线性模型的控制效果,和多模型控制器个状态之间的平滑切换。 最后考虑到由于系统在模型上存在ADS(Active Disturbance System),造成系统建模中的转动惯量上存在随机的误差干扰,我们又在分段LQR控制器的基础上,增加了一个针对稳定状态的H∞控制器状态,通过模糊控制器提取系统高度轴的误差,并分析系统是否处于稳定运行状态,再输出给H∞控制器比例权重系数。这样可以在某个高度值稳定运行的情况下,最大程度上克服ADS对系统的干扰。通过仿真和实际试验结果可以看出引入了H∞控制器之后系统能控制品质得到改善。


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