北航_中期答辩共26页文档
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横侧向通道控制器
德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 工作进展：飞行实验
在一款小型电动旋 翼机上加装飞行控 制系统，改装成小 型无人旋翼机，在 北京大兴某机场对 该旋翼机进行了姿 态控制和水平航迹 控制的飞行实验。
小型无人自转旋翼机实物图
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 工作进展：飞行实验
带有死区的PID调节器基本思想是，一旦计算出的控制量 u(k)进入饱和区，一方面对控制量输出值限幅；另一方面 增加判别程序，算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算 ，而停止增大积分饱和项的运算。在控制精度要求不高的 场合，能减少由于频繁动作引起的振荡和能量消耗。
德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 工作进展：飞行控制算法设计
采用逐步逼近法整定 内、外环的控制参数 ，进行仿真实验。
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 工作进展：建模与仿真
串级控制器仿真结果
单回路控制器仿真结果
由仿真结果可以看出：相比于单回路控制，串级控制的抗干扰性能更好，调节时 间更短，超调量也更小，动态性能优于单回路控制。
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 执行情况：硬件部分
1. 研究某款GPS/MINS 微惯导系统的特性， 进行了跑车实验，目 前正在分析实验数据 ；下一步要与其它型 号产品的性能进行对 比，并从中选型。
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 执行情况：硬件部分
2. 进行了飞行控制系 统部分硬件的选型和 调试，包括无线数据 传输模块、转速测量 器和存储芯片等，使 该系统可以实时记录 并回传主旋翼转速等 关键状态量及操作指 令。
4 存在问题及下一步工作安排
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 研究计划
内容
月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
旋翼机的硬件设计及调试
数学模型建立的前期准备工作
旋翼机系统数学模型的建立
干扰模型的建立
高度和航迹跟踪控制算法研究
中期答辩
高度和航迹跟踪控制算法设计
控制算法仿真实验及修正
控制算法执行程序编写
无人自转旋翼机系统实现
飞行实验及控制算法改进
分析可行性，确定最终方案
论文撰写
1. 目前初步建立了旋翼机的Matlab模型，和进行了一些传统PID控制的仿真实验； 2. 正在学习相关现代控制算法，计划通过仿真验证之后，集成到旋翼机飞行控制系统中，
进行试飞验证。
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飞控控制系统实物图
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☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
4 存在问题及下一步工作安排
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☞ 工作进展及学建模与 仿真
飞行控制算法 设计
飞行实验
2
飞行控制律设计
在旋翼机飞行控制系 统中集成模型预测控 制、模糊控制和自适 应鲁棒控制等算法的 可行性研究；
3
飞行实验
本课题的特色是实 现无人自转旋翼机 的真实自主飞行。
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☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
4 存在问题及下一步工作安排
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☞ 研究任务
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☞ 主要研究内容
1 关键传感器
数据融合 算法设计
使用卡尔曼滤波等 方法获取关键传感 器的最优估计；高 度传感器的数据融 合算法等；
为了减小转弯时的升力损失 以保持高度，纵向通道采用 升降舵前馈控制的方法，控 制器结构如下：
纵向通道控制器
自转旋翼机一般采用后推式 螺旋桨，反扭效应强于前拉 式，油门变化会导致旋翼机 受到的反扭力矩变化，从而 造成滚转姿态和航向的波动 。横侧向通道采用副翼前馈 控制的方法平衡反扭力矩， 控制器结构如下：
4
投递论文
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☞ 工作进展：建模与仿真
1. 正在进行建模和仿真的工作，初步的纵向通道控制器模型如下：
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☞ 工作进展：建模与仿真
内、外环PID控制器结构图
外环高度控制器和内 环俯仰稳定与控制器 的结构相同，都采用 积分分离PID控制算 法；
☞ 工作进展：飞行控制算法设计
无人旋翼机在飞 行过程中受气象 条件等强干扰， 因此对纵向和横 侧向通道采用串 级PID控制算法 ，内环控制姿态 ，外环控制位置 ，并集成了如下 改进方案：
改进方案 积分分离PID控制算法
变速积分PID控制算法 微分先行PID控制算法
带有死区的PID控制算法
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实验现场图片
矩形航线（80m X 100m）自主飞行实验
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☞ 工作进展：飞行实验
高度跟踪曲线
侧偏距收敛曲线（45m收敛至0）
由试飞结果表明，应用以上设计的算法，可以有效控制自转旋翼机的高度和水平 航迹，具有良好的动、稳态性能，稳态控制精度优于±5m。
☞ 执行情况：算法部分
1. 初步建立了自转旋翼机的Simulink仿真模型，进行了积分分离的串级PID 仿真实验。
2. 研究自转旋翼机的飞行控制特点，在某款固定翼无人机飞行控制算法的 基础上进行改进，完成了无人自转旋翼机的姿态控制和水平航迹控制算法的 设计。
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
控制思想及优点
当系统的偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用 使系统的稳定性降低，超调量增大，直至偏差小于一定值 后，才引入积分控制，以消除系统的静差，提高系统的系 统精度。 变速积分的思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏 差大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越 快。 微分先行PID控制的思想是只对系统的输出变量y(k)进行 微分，而对给定目标值不进行微分。这样，在改变目标值 时不致引起系统大的振荡。微分先行PID控制可以避免目 标值升降时引起的系统振荡，大大改善系统的动态特性。
横侧向通道控制器
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☞ 工作进展：飞行实验
在一款小型电动旋 翼机上加装飞行控 制系统，改装成小 型无人旋翼机，在 北京大兴某机场对 该旋翼机进行了姿 态控制和水平航迹 控制的飞行实验。
小型无人自转旋翼机实物图
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☞ 工作进展：飞行实验
带有死区的PID调节器基本思想是，一旦计算出的控制量 u(k)进入饱和区，一方面对控制量输出值限幅；另一方面 增加判别程序，算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算 ，而停止增大积分饱和项的运算。在控制精度要求不高的 场合，能减少由于频繁动作引起的振荡和能量消耗。
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☞ 工作进展：飞行控制算法设计
采用逐步逼近法整定 内、外环的控制参数 ，进行仿真实验。
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☞ 工作进展：建模与仿真
串级控制器仿真结果
单回路控制器仿真结果
由仿真结果可以看出：相比于单回路控制，串级控制的抗干扰性能更好，调节时 间更短，超调量也更小，动态性能优于单回路控制。
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☞ 执行情况：硬件部分
1. 研究某款GPS/MINS 微惯导系统的特性， 进行了跑车实验，目 前正在分析实验数据 ；下一步要与其它型 号产品的性能进行对 比，并从中选型。
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☞ 执行情况：硬件部分
2. 进行了飞行控制系 统部分硬件的选型和 调试，包括无线数据 传输模块、转速测量 器和存储芯片等，使 该系统可以实时记录 并回传主旋翼转速等 关键状态量及操作指 令。
4 存在问题及下一步工作安排
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☞ 研究计划
内容
月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
旋翼机的硬件设计及调试
数学模型建立的前期准备工作
旋翼机系统数学模型的建立
干扰模型的建立
高度和航迹跟踪控制算法研究
中期答辩
高度和航迹跟踪控制算法设计
控制算法仿真实验及修正
控制算法执行程序编写
无人自转旋翼机系统实现
飞行实验及控制算法改进
分析可行性，确定最终方案
论文撰写
1. 目前初步建立了旋翼机的Matlab模型，和进行了一些传统PID控制的仿真实验； 2. 正在学习相关现代控制算法，计划通过仿真验证之后，集成到旋翼机飞行控制系统中，
进行试飞验证。
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飞控控制系统实物图
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☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
4 存在问题及下一步工作安排
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 工作进展及学建模与 仿真
飞行控制算法 设计
飞行实验
2
飞行控制律设计
在旋翼机飞行控制系 统中集成模型预测控 制、模糊控制和自适 应鲁棒控制等算法的 可行性研究；
3
飞行实验
本课题的特色是实 现无人自转旋翼机 的真实自主飞行。
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
☞ 报告内容
1 研究任务及主要研究内容
2 研究计划及执行情况
3 工作进展及学术成果
4 存在问题及下一步工作安排
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德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
☞ 研究任务
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☞ 主要研究内容
1 关键传感器
数据融合 算法设计
使用卡尔曼滤波等 方法获取关键传感 器的最优估计；高 度传感器的数据融 合算法等；
为了减小转弯时的升力损失 以保持高度，纵向通道采用 升降舵前馈控制的方法，控 制器结构如下：
纵向通道控制器
自转旋翼机一般采用后推式 螺旋桨，反扭效应强于前拉 式，油门变化会导致旋翼机 受到的反扭力矩变化，从而 造成滚转姿态和航向的波动 。横侧向通道采用副翼前馈 控制的方法平衡反扭力矩， 控制器结构如下：
4
投递论文
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☞ 工作进展：建模与仿真
1. 正在进行建模和仿真的工作，初步的纵向通道控制器模型如下：
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☞ 工作进展：建模与仿真
内、外环PID控制器结构图
外环高度控制器和内 环俯仰稳定与控制器 的结构相同，都采用 积分分离PID控制算 法；
☞ 工作进展：飞行控制算法设计
无人旋翼机在飞 行过程中受气象 条件等强干扰， 因此对纵向和横 侧向通道采用串 级PID控制算法 ，内环控制姿态 ，外环控制位置 ，并集成了如下 改进方案：
改进方案 积分分离PID控制算法
变速积分PID控制算法 微分先行PID控制算法
带有死区的PID控制算法
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实验现场图片
矩形航线（80m X 100m）自主飞行实验
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☞ 工作进展：飞行实验
高度跟踪曲线
侧偏距收敛曲线（45m收敛至0）
由试飞结果表明，应用以上设计的算法，可以有效控制自转旋翼机的高度和水平 航迹，具有良好的动、稳态性能，稳态控制精度优于±5m。
☞ 执行情况：算法部分
1. 初步建立了自转旋翼机的Simulink仿真模型，进行了积分分离的串级PID 仿真实验。
2. 研究自转旋翼机的飞行控制特点，在某款固定翼无人机飞行控制算法的 基础上进行改进，完成了无人自转旋翼机的姿态控制和水平航迹控制算法的 设计。
秋记与你分享
德静才思兼笃备行 知持行中合秉一正
控制思想及优点
当系统的偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用 使系统的稳定性降低，超调量增大，直至偏差小于一定值 后，才引入积分控制，以消除系统的静差，提高系统的系 统精度。 变速积分的思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏 差大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越 快。 微分先行PID控制的思想是只对系统的输出变量y(k)进行 微分，而对给定目标值不进行微分。这样，在改变目标值 时不致引起系统大的振荡。微分先行PID控制可以避免目 标值升降时引起的系统振荡，大大改善系统的动态特性。