17无人机实验报告

2017年秋季学期《无人机控制系统》课程

实验报告

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2017年10月14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1如下

:

图1

2.分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益

图1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（如图2），Kp=83.5为了求解方便，Kp 近似等于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==+++

此时系统开环放大倍数为5。

图2

接下来用增益调试法确定最大增益。

系统的传递函数为

23()()()(25)(10)p c k s G s s s s s θδ==+++

3所示。

图3

当Kp=400/3时，系统单位阶跃响应收敛。单位阶跃响应如下图4所示。

图4

5所示。

图5由此可见，Kp=250/3为最大增益。

程序截屏如图6：

图6

3、利用Simulink设计控制器

我们选择最常见的PID 控制方法来设计控制器添加控制器之前，如图7

图7

示波器波形为图8所示

图8

搭建系统控制器如图9下：

图9

系统阶跃响应如图10和图11（把超调部分放大）所示

图

10

图11

此时系统超调量为2%，调整时间为2s, 性能较好。

此时控制器传递函数为

s

s s s G 165.1)(2++=

四、实验结论

无人机舵系统的传递函数为

23()()()(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Kp=250/3。然后通过Simulink 仿真确定PID 控制器参数为Kp=6,Ki=1,Kd=1.5。

因此，控制器传递函数为 s

s s s G 165.1)(2++= 此时，系统超调量为2%，调整时间为2s, 无稳态误差，系统性能较好。