哈工大无人机实验分析报告

哈工大无人机实验报告

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：

《无人机控制系统》课程实验报告

院系：航天学院控制科学与工程系

班号： 1304105 学号：

姓名：

2016年10月20日

审阅教师： 实验成绩：

一、实验目的

1、了解无人机控制系统的设计方法；

2、掌握并熟悉MATLAB 仿真工具的使用方法；

3、掌握并熟悉SIMULINK 仿真工具的使用方法。 二、实验内容

1、试验对象：无人机俯仰角控制系统设计

2、参数：• 无人机舵系统传递函数为：

()0.1

()0.11

e c s s s δδ=+ • 升降舵偏角与姿态角之间的传递函数为： 2()3

()25

e s s s s θδ=++ 3、要求：

• 画出系统根轨迹图；

• 分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益； • 利用Simulink 对系统进行仿真和参数调试，并给出最终控制器 及控制效果图。 三、实验步骤 1、画出系统根轨迹图 系统的传递函数

23()

()()(25)(10)

p c k s G s s s s s θδ==

+++，

在MATLAB 中输入以下指令 num=3;

>> den=conv([1 2 5],[1 10]); >> rlocus(num,den) 画出根轨迹图如下:

Root Locus

Real Axis

I m a g i n a r y A x i s

-30

-25-20-15-10-50510

-25-20-15-10-50510152025

2、确定最大增益

图中根轨迹与虚轴交点的Kp 对应最大增益，此时系统临界稳定，Kp=

250

3

,此时系统的传递函数为 2()250

()()(25)(10)

c s G s s s s s θδ==+++ 系统开环放大倍数为5。

接下来用增益调试法确定最大增益。 系统的传递函数为2

3()

()()(25)(10)

p c k s G s s s s s θδ=

=+++

当20p k =时，系统单位阶跃响应收敛。单位阶跃响应如下图所示。

012345678

0.10.20.30.40.50.6

0.70.80.9Step Response

Time (sec)

A m p l i t u d e

当120p k =时，系统单位阶跃响应发散。单位阶跃响应如下图所示。

020406080100120140160180200

-8

-6

-4

-2

2

4

6

8

x 10

25

Step Response

Time (sec)

A m p l i t u d e

当250

3

p k =时，系统单位阶跃响应临界稳定。单位阶跃响应如下图所示。

0510

152025

0.20.40.60.811.2

1.41.61.8Step Response

Time (sec)

A m p l i t u d e

由此可见，

250

3p k =

为最大增益。

3、利用Simulink 设计控制器 当系统调至最大增益

250

3p k =

时，系统出现等幅振荡。由

系统的根轨迹图可知，系统需要一个位于左半平面的零点，且需在实 轴极点之前，这样系统的两个共轭复根会被零点拽回 LHP ，从而系统不会出现发散现象。

由上分析，我们选择 PD 控制器，它可以给系统提供一个 LHP 零点。

画出Simulink 模拟图如下图所示。

250s +12s +25s+5032Transfer Fcn

Step

Scope

1Gain1

1

Gain

du/dt Derivative

系统阶跃响应如下：

可见系统存在较大稳态误差，需再加积分控制器。故重新搭建系统控制器如下：

250s +12s +25s+5032Transfer Fcn

Step

Scope

1

s Integrator

1Gain2

1Gain1

5

Gain

du/dt Derivative

系统阶跃响应如下

可见增加积分控制器后系统稳态误差消除。此时系统超调量为8%，调整时间为2s, 性能较好。

此时控制器传递函数为

251

()c s s G s s

++=

四、实验结论

无人机舵系统的传递函数为 2

3()

()()(25)(10)

p c k s G s s s s s θδ=

=+++ 通过选取适当的 PID 控制器，系统可以有很不错的动态性能。分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益为

250

3p k =

。然

后通过Simulink 仿真确定PID 控制器参数为5,1,1p i d k k k ===。