一种小型倾转旋翼无人机的建模与仿真

传统无人机多为四旋翼无人机和固定翼无人机,现设计一种小型可倾转旋翼无人机,可实现垂直起降与悬停,并能在空中高速巡航。建立该无人机的动力学模型,对该无人机的旋翼飞行模式,设计了基于滑模控制(Sliding Mode Control)的姿态控制器和位置控制器,并通过Matlab仿真和传统的PID算法进行比较验证。仿真结果表明:基于滑模鲁棒控制的无人机,其姿态收敛过程和位置收敛过程都远快于传统控制方法。     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.     

倾转式三旋翼无人机的自适应鲁棒容错控制

本文针对受到外界未知扰动和模型不确定性影响的倾转式三旋翼无人机,研究了其在尾部舵机发生堵塞故障时的容错控制问题.通过对倾转式三旋翼无人机姿态动力学特性的分析,将尾部舵机堵塞故障加入到力矩解算方程中.基于自适应反步法和非奇异终端滑模控制,提出了一种不需要故障诊断的鲁棒容错控制设计.利用基于Lyapunov的分析方法证明了闭环系统的稳定性,以及姿态误差的渐近收敛性质.通过在三旋翼无人机半实物仿真平台的实时实验以及与滑模控制器的对比,验证了该算法在无人机尾部舵机发生堵塞故障时,对姿态运动具有较好的控制效果.     

四旋翼无人机的室内自主飞行控制

为了解决四旋翼无人机在室内等无GPS信号的复杂环境中实现自主飞行的问题,在对四旋翼无人机进行非线性建模的基础上,分别设计了基于反步法结合滑模理论的姿态控制器和基于PID的位置控制器.考虑到激光测距仪高昂的价格,提出一种基于红外传感器和扩展卡尔曼算法(EKF)实现无人机室内自主飞行定位的方法,通过无人机的旋转运动弥补红外传感器每次只能测量单一点距的缺陷.最后,通过仿真验证所设计的控制器和定位算法的性能.Wyfh2结果证明了所设计的四旋翼无人机室内自主飞行方法的有效性和可靠性.     

四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

为了检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态,提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验,以及与PID控制系统进行对比分析实验。仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性,本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。     

三倾转旋翼无人机直升机模式建模与控制研究

针对一种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机的直升机模式控制问题进行研究,采用牛顿欧拉法对这种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机直升机模式进行了详细的动力学建模分析,建立了该无人机悬停模式6自由度非线性模型;在对该模型进行线性化的基础上,设计了这种三倾转旋翼无人机直升机模式下的高度、俯仰通道、滚转通道以及偏航通道的PID控制器,并在Matlab/Simlink环境下建立其仿真模型,对所设计的控制算法进行验证;实验结果表明,所设计的控制器能够满足系统的控制性能要求。     

基于分数阶滑模控制的无人机轨迹跟踪控制器设计

四旋翼无人机在农业、工业和国防等领域广泛应用,但其复杂的系统特性和对扰动的敏感性使得控制变得困难。首先,考虑分数阶方法具有良好的鲁棒性以及调节灵活性的优点,将整数阶积分滑模面和改进的分数阶指数趋近律相结合,设计出了一种新的分数阶积分滑模控制器。然后,将所设计的分数阶积分滑模控制器应用于四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,所提控制器作用下的四旋翼无人机进行轨迹跟踪时响应速度快、无超调,且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。     

基于PID和LQR的四旋翼无人机控制系统研究

为提高四旋翼无人机的飞行稳定性、无人飞行器控制系统的鲁棒性和控制精度,以建立的四旋翼无人机飞行控制系统模型为基础,采用现代控制理论与传统控制论相结合的方法,针对姿态角速率、姿态角分别设计内环LQR(线性二次型调节器)控制器,及外环PID控制的双回路闲环控制器.充分利用PID控制器易于掌握且对模型要求精度低、LQR控制器能改善内回路的动态特性和稳态性能的特点,完成四旋翼无人机的飞行控制.通过实验遴选该双闭环控制器相关参数并进行优化,实验结果表明所设计的双回路控制器控制性能指标良好.     

风扰条件下四旋翼无人机智能控制算法的设计与仿真

为提高四旋翼无人机在风扰条件下的抗扰能力和控制精度,提出一种利用遗传算法优化模糊控制器规则以提高控制器性能的方法。首先,对自然条件下风速的变化特性进行分析,建立相应的数学模型,并将其作为环境噪声引入系统。在四旋翼无人机动力学模型的基础上,设计模糊PID控制器对其进行控制。同时,对模糊控制器中的模糊子集进行基因编码,设计改进型遗传算法来实现对模糊规则的再整定与优化。在Matlab/Simulink仿真环境下的实验结果表明,该算法有效地提高了四旋翼无人机在面对复杂干扰时的抗扰能力和控制精度。     

二维桥式起重机的滑模控制

基于滑模控制理论,研究二维桥式起重机的控制器设计问题.首先,考虑小车端受到外界干扰的情况以及利用一些等价变换,得到一个四阶桥式起重机动力学模型;然后,根据得到的动力学方程,分别设计一种比例微分滑模控制器和一种比例微分积分滑模控制器,进而通过构造李雅普诺夫函数的方法证明两种控制器下滑模面的可达性和系统的稳定性;最后,设计1组对比仿真实验和1组在自制的桥式起重机实验平台上的验证性实验.实验结果表明,所设计的两种滑模控制器均可以使桥式起重机达到给定的控制目标.     

航天器近距离相对轨道的滑模控制

基于滑模控制原理,研究了近距离追踪航天器与目标航天器交会对接时,相对运动轨道的控制问题.首先,建立非线性航天器相对运动模型;其次,利用滑模控制原理和分数阶导数的相关性质,设计了整数阶PD控制器和分数阶PD~α控制器;最后,分别运用整数阶和分数阶控制器对未扰和受扰系统实施控制.数值仿真结果表明,整数阶与分数阶控制器均能实现对未扰和受扰系统的控制,验证了方法的有效性.同时发现,在时效性上,分数阶控制器明显优于整数阶控制器;在能效性上,达到相同控制目标时,分数阶控制器的能量消耗大于整数阶控制器.     

车载惯性稳定平台的神经网络滑模控制

三轴车载惯性稳定平台为复杂的MIMO非线性系统,针对其在不确定扰动下的伺服控制问题,本文设计了一种神经网络反演滑模控制器(NNBSMC).首先,选用反演法对其解耦,同时引入滑模控制律增加系统的抗干扰性;其次针对框架间的非线性摩擦力与系统耦合选用RBF神经网络作为扰动估计器,以便实时估计与补偿;然后采用前向增稳通道应对建...     

Motion control of an omnidirectional mobile platform for trajectory tracking using an integral sliding mode controller

In this paper, a new tracking controller that integrates a kinematic controller (KC) with an integral sliding mode dynamic controller (ISMC) is designed for an omnidirectional mobile platform (OMP) to track a desired trajectory at a desired velocity. First, a posture tracking error vector is defined, and a kinematic controller (KC) is chosen to make the posture tracking error vector convergent to zero asymptotically. Second, an integral sliding surface vector is defined based on the angular velocity tracking error vector and its integral term. An integral sliding mode dynamic controller (ISMC) is designed to make the integral sliding surface vector and the angular velocity tracking error vector convergent to zero asymptotically. The above controllers are obtained based on the Lyapunov stability theory. To implement the designed tracking controller, a control system is developed based on PIC18F452. A scheme for measuring the posture tracking error vector using a camera sensor combined with an angular sensor is introduced. The simulation and experimental results are presented to illustrate the effectiveness and applicability of the proposed tracking controller.     

基于离散指数趋近律的开关电源模糊滑模控制

对于Buck/Boost变换器,传统的控制器如PID控制器、Ⅲ型误差放大器等存在超调量过大、响应时间过长、鲁棒性不强等问题,为克服这些缺点,提出基于离散指数趋近律的开关电源模糊滑模控制方案.首先,针对工作在电感电流连续模式(CCM)的Buck/Boost变换器采用状态空间平均法建立平均线性模型;然后设计离散指数趋近律的滑模控制器,并分析了切换参数对系统的影响;最后,为改善控制效果,设计了模糊控制器.仿真结果表明,相对于传统的控制器,指数趋近律的模糊滑模控制器有效地降低了超调量,提高了系统的响应时间,并且对外部干扰的鲁棒性较好.利用所设计的控制算法实现了对50 W高频开关电源样机的良好控制,进一步证明了所提方法的有效性.     

A new sliding mode controller for wind turbine pitch angle control

This paper focuses on variable-speed wind turbines where control is aimed at stabilizing the output power. A hybrid control algorithm is proposed which includes a new arrangement of two controllers along with an observer. Estimation of power coefficient via sliding mode observer reduces the amount of errors caused by changing the power coefficient parameter in different turbines. Moreover, the use of this special arrangement of sliding mode controller, proportional-integral (PI) controller and sliding mode observer, removes one of the controller parameter denoting wind speed from the designed algorithm, which in turn eliminates disturbances related to wind speed changes. In order to show the efficiency of the proposed control method, the performances of the controllers are evaluated by simulation in MATLAB software.     

H∞ Control and Sliding Mode Control of Magnetic Levitation System

In this paper, H∞ disturbance attenuation control and sliding mode disturbance estimation and compensation control of a magnetic levitation system are studied. A magnetic levitation apparatus is established, and its model is measured. Then the system model is feedback linearized. A H∞ controller is then designed. For comparison, a sliding mode controller and a PID controller also were designed. Some experiments were performed to compare the performance of the H∞ controller, the sliding mode controller and the PID controller.     

机器人全局PID模糊滑模跟踪控制与仿真研究

为解决机器人跟踪控制过程中采用PID控制算法会出现抖动和误差的问题,提出了一种机器人全局PID模糊滑模跟踪控制算法.通过将PID滑模控制和模糊控制相结合,设计了全局PID模糊滑模控制;基于模糊规则,对滑模控制增益进行自适应调整,从而消除建模误差和干扰,削弱了控制时产生的抖振,在线调整控制器参数和估计误差,并通过积分来消除外界干扰,因此提高了控制精度.仿真结果表明,与常规的PID算法相比,该方法在处理控制抖动和消除误差以及干扰方面具有极高的鲁棒性.     

Nonlinear controllers for solar thermal plants: A comparative study

Solar plants have nonlinear dynamics which must be taken into account when a control system is applied to them. The main purpose of the control systems is to maintain the outlet temperature in a desired reference value and, at the same time, attenuate the undesirable transients caused by the disturbances. Linear controllers, like PID ones, are not able to obtain good performance over the whole operation range of these kind of plants. To overcome these limitations two nonlinear controllers, a nonlinear model-based predictive controller and a distributed sliding mode controller, are applied to a solar plant in this work. The performance of these controllers is tested through experimental and simulation results, which show the tracking and disturbance rejection capabilities of the proposed controllers.     

Backstepping approach for design of PID controller with guaranteed performance for micro-air UAV

Flight controllers for micro-air UAVs are generally designed using proportional-integral-derivative (PID) methods, where the tuning of gains is difficult and time-consuming, and performance is not guaranteed. In this paper, we develop a rigorous method based on the sliding mode analysis and nonlinear backstepping to design a PID controller with guaranteed performance. This technique provides the structure and gains for the PID controller, such that a robust and fast response of the UAV (unmanned aerial vehicle) for trajectory tracking is achieved. First, the second-order sliding variable errors are used in a rigorous nonlinear backstepping design to obtain guaranteed performance for the nonlinear UAV dynamics. Then, using a small angle approximation and rigorous geometric manipulations, this nonlinear design is converted into a PID controller whose structure is naturally determined through the backstepping procedure. PID gains that guarantee robust UAV performance are finally computed from the sliding mode gains and from stabilizing gains for tracking error dynamics. We prove that the desired Euler angles of the inner attitude controller loop are related to the dynamics of the outer backstepping tracker loop by inverse kinematics, which provides a seamless connection with existing built-in UAV attitude controllers. We implement the proposed method on actual UAV, and experimental flight tests prove the validity of these algorithms. It is seen that our PID design procedure yields tighter UAV performance than an existing popular PID control technique.