双旋翼直升飞机原理

智能控制
• 智能控制的定义一： 智能控制是由智能机器自主地实现 其目标的过程。而智能机器则定义为，在结构化或非结构 化的，熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行 人类规定的任务的一种机器。 • 定义二： K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类具有的直觉推理 和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统 的分析与设计中，使之在一定程度上实现控制系统的智能 化，这就是智能控制。他还认为自调节控制，自适应控制 就是智能控制的低级体现。 • 定义三： 智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱 动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人 类智能的一个重要领域。 • 定义四： 智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及 其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程 控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。
共轴双旋翼直升机悬停方向控制
制作人：张映民.毛辉.刘涛.瞿丽华.王钿. 肖力.沈丹
2013年11月23日
目录
建模
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分析性能
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校正与设计
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把时域指标转化为频域指标
根据稳态误差，确定开环增益
因此需要进行串联超前校正。设超前校正 网络传递函数为
• 根据截止频率要求，计算超前网络参数a和T
仿真实验
校正前系统稳定性仿真 用Matlab绘制零极点分布图如下：
用Matlab绘制根轨迹图如下
用Matlab绘制奈氏图如下
校正前系统性能仿真 用Scicos连接系统框图如下
用Scicos仿真系统在时域中的响应如下
鲁棒控制
• 鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年 代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究 热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大 小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的 不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统 的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。 • 由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际 工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导 致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系 统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确 定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外 科研人员的研究课题。 • 主要的鲁棒控制理论有：（1）Kharitonov区间理论；（2） H∞控制理论；（3）结构奇异值理论（μ理论）等等。
• 被控对象的分析：
• 共轴双旋翼直升机悬停方向的控制是角动量守恒定律的应 用。直升机在发动前，系统的总角动量为零。在发动后， 旋翼在水平面内高速转动，系统会出现一个竖直向上的角 动量。由旋翼产生的升力竖直向上，方向通过大致与机身 垂直的直立轴，飞机受重力也通过该轴，升力和重力对该 轴均不产生力矩，故系统的角动量守恒。双旋翼直升机在 直立轴上安装了一对向相反方向旋转的旋翼，通过对两旋 翼旋转角速度的控制，实现直升机悬停方向的改变。 • 共轴双旋翼直升机通过两个旋翼的差动旋转，进而将直升 机悬停在预定位置，因此需要精确控制的变量是直升机的 悬停方向。控制系统的输入量是预期的直升机的悬停方向， 输出量即为实际的悬停方向。
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建模
• 建模（Modeling）的目的就是要建立概念关系、 数学和/或计算机模型的过程；建模是研究系统的 重要手段和前提，凡是用模型描述系统的因果关 系或相互关系的过程都属于建模，因此建立系统 模型的过程、又称模型化。从系统工程学角度来 评价一个模型的好坏，要把握三条原则：（1）分 析与设计实际系统；（2）预测或预报实际系统的 某些状态的未来发展趋势；（3）对系统实行最优 控制。因此，要求在建模过程中，要对系统模型 进行抽象简化、并要在简化和分析结果的准确性 之间适当的折衷，以满足前述三条基本原则。此 折衷之意，就在于要保证模型的稳定性、均衡性 和完整性的前提下，去除非规划阶段的影响因素。
• 假设（1）上下旋翼均为三叶桨，且尺寸，重量等各种 物理参数均相同； • （2）上下旋翼旋转轴通过机身质心； • （3）机身外形简化成体积相同的长方体，质心位于其 几何中心 上下旋翼的每叶桨的转动惯量为（1代表上旋翼， 2代表下旋翼
• 根据角动量守恒得到方程
• 被控对象特性分析：本控制系统的被控对象是共 轴的两个旋翼，控制量是两旋翼的旋转角速度。 根据数学建模的分析，得到传递函数：
• 能；开环频域的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪声 抑制性能。因此，频域法设计控制系统的实质，就是在 系统中加入频率特性形状合适的校正装置，使开环系统 频率特性形状变成所期望的形状：低频段增益充分大， 以保证稳态误差要求；中频段对数幅频特性斜率一般为 -20dB/dec,并占据充分宽的频带，以保证具备适当的相 角裕度；高频段增益尽快减小，以削弱噪声影响，若系 统原有部分高频段已符合该种要求，则校正时可保证高 频段形状不变，以简化校正装置的形式。
• 本组PPT还有很多不足，对自动控制还没有完全 掌握，还请老师同学予以辅导和指点。 • 在以后的学习中Fra Baidu bibliotek定更加努力。
谢谢观赏
2013年11月24日
验证与仿真
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悬停直升机 ：
共轴双旋翼直升机的基本概念
• 双雄翼共轴式直升机药基本特征是：两副完全相同的旋翼，一上一下安装在 同一根旋翼轴上，两旋翼间有一定间距。两副旋翼的旋转方向相反，它们的 反扭矩可以互相抵消。这样，就用不着再装尾桨了。直升机的航向操纵靠上 下两旋翼总距的差动变化来完成。 双旋翼共轴式直升机主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。这种直升机因无尾 桨，所以也就不露要装长长的尾梁，机身长度也可以大大缩短。有两副旋翼 产生升力，每副旋翼的直径也可以缩短。机体部件可以紧凑地安排在直升机 重心处，所以飞行稳定性好，也便于操纵。与单旋翼带尾桨直升机相比，其 操纵效率明显有所提高。此外。共轴式直升机气动力对称，其悬停效率也比 较高。 研制共轴式直升机取得最大成功的是俄罗斯的卡莫夫设计局，该设计局研制 出了庞大的“卡”系列直升机，它们基本上都是双旋翼共轴式布局。除大量 民用直升机外，如卡-26、卡-226等，军用直升机也有不凡表现，卡-25曾是 前苏联舰载反潜直升机食主力，新研制的战斗直升机卡-50、卡-52则更令人 瞩目。北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系的轻型飞机室研制的“蜜 蜂－16”轻型单座直升机也采用了共轴双旋翼形式。 双旋翼共轴式直升机的主要缺点是操纵机构复杂。
1.直流电动机数学模型
• 电枢控制直流电动机的工作实质是将输入的电能 转化为机械能，也就是由输入的电枢电压 • 在电枢回路中产生电枢电流
• 再由电流
• 与激磁磁通相互作用产生电磁转矩 • 从而拖动负载运动。因此，直流电动机的运动方 程有以下三部分组成
• 再进过一系列的计算后得出直流发动机数学建模 的公式：
伯德图
• 对数频率特性曲线(英文名:Bode diagram)：又称 为伯德图（曲线），其横坐标采用对数分度。 • 由两张图组成：一张是对数幅频特性，另一 张是对数相频特性。
校正与设计
• 此校正装置的设计在频域内进行，这是一种 间接的设计方法，因为设计结果满足的是一些频 域指标，而不是时域指标。 • 然而，在频域内进行设计又是一种简便的方 法，在波特图上虽然不能严格定量地给出系统的 动态性能，但却能方便地根据频域指标确定校正 装置的参数，特别是对已校正系统的高频特性有 要求时，采用频域法校正较其他方更为方便。 频域设计的这种简便性，是由于开环系统的频域 特性与闭环系统的时间响应有关。一般地说，开 环频域特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能； 开环频域的中频段表征了闭环系统的动态性
• 经过一系列的推算得到系统结构如下：
• 经过化简后得到：
分析性能
1稳定性分析：
2.根据劳斯判据得到：
• 稳态性能分析：
• 所以扰动作用下的稳态误差为 ：
• 因此只要满足 在满足稳态误差很小的前提下， 扰动误差就可以削弱到很小 分析扰动误差时的结构图如下：
• 动态性能分析：
此系统为二阶系统，其标准形式为：
自适应控制
• 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统， 这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数 学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因 素。 • 任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确 定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系 统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设 计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影 响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可 预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系 统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计 适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最 优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。
对自动控制的认识。
• 在现代化的工业发展中,工业自动化控制技术发挥 着非常重要的作用。自动化控制技术主要用于解 决生产效率的问题,旨在提高产量、减少消耗和保 证安全生产等。工业自动化控制技术运用了控制 理论知识、计算机技术和仪器仪表等技术,对我国 的企业生产起到了明显的提升作用,促进了我国工 业的发展进步。 • 且在军事上也有突出的贡献。
• 所以得到：
在控制工程中，除了那些不容许产生振荡响应的系统外 ，通常都希望控制系统都具有适当的阻尼、较快的响应 速度和较短的调节时间。
频率特性分析系统性能
频率特性法主要是通过系统开环频率特性的图形来 分析闭环系统性能的，因而可避免繁杂的求解运 算，计算量较小。
奈奎斯特图
• 奈奎斯特图是对于一个连续时间的线性非时变系 统，将其频率响应的增益及相位以极坐标的方式 绘出，常在控制系统或信号处理中使用，可以用 来判断一个有回授的系统是否稳定，奈奎斯特图 的命名是来自贝尔实验室的电子工程师哈里· 奈奎 斯特。 • 奈奎斯特图上每一点都是对应一特定频率下的频 率响应，该点相对于原点的角度表示相位，而和 原点之间的距离表示增益，因此奈奎斯特图将振 幅及相位的波德图综合在一张图中。 • 一般的系统有低通滤波器的特性，高频时的频率 响应会衰减，增益降低，因此在奈奎斯特图中会 出现在较靠近原点的区域。
自动控制学什么？
• 掌握控制系统的数学建模与传递函数的求取。 • • 掌握线性控制系统的时域分析法，尤其是二阶系统的时域性能分析； 掌握线性系统的根轨迹分析法，学会运用开环传递函数求取闭环系统 的根轨迹 掌握线性系统的频率域分析法，尤其是频率域稳定判据；
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• 掌握实验、系统设计的基本方法。 • 自动控制系统导论；控制系统的数学模型的传递函数；线性系统的时 域分析法；线性系统的根轨迹法；线性系统的频率域分析法；线性系 统的校正。