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复合式无人直升机姿态自抗扰控制

邓柏海 徐锦法

邓柏海,徐锦法. 复合式无人直升机姿态自抗扰控制[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(11):3100-3107 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0788
引用本文: 邓柏海,徐锦法. 复合式无人直升机姿态自抗扰控制[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(11):3100-3107 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0788
DENG B H,XU J F. Active disturbance rejection control of attitude of compound unmanned helicopter[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(11):3100-3107 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0788
Citation: DENG B H,XU J F. Active disturbance rejection control of attitude of compound unmanned helicopter[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(11):3100-3107 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0788

复合式无人直升机姿态自抗扰控制

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0788
基金项目: 直升机旋翼动力学国家级重点实验室基金资助项目(9140C400504130C4148); 江苏高校优势学科建设工程基金资助项目(2021)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: xjfae@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: TP273

Active disturbance rejection control of attitude of compound unmanned helicopter

Funds: National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics Fund Program of China (9140C400504130C4148); Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions of China (2021)
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  • 摘要:

    复合式无人直升机涉及多个冗余操纵输入,输入策略不同飞行器输出响应也就不同,该系统则是一个非线性强耦合的被控对象。因系统内部高阶动力学难以建模、外部扰动不明确,给飞行控制系统设计验证带来极大困难。为使复合式无人直升机在整个飞行包线内稳定飞行,姿态控制律设计至关重要。在建立复合式无人直升机运动特性数学模型基础上,设计不同飞行模式操纵策略,构建被控对象Simulink仿真模型。运用自抗扰控制(ADRC)技术设计姿态ADRC器,再以对比方法验证姿态ADRC的控制效果好于姿态比例积分微分PID控制器。仿真结果表明:姿态ADRC的抗干扰性和鲁棒性能满足复合式无人直升机姿态控制要求,确保无人直升机在不同飞行模式下快速稳定飞行。

     

  • 图 1  复合式无人直升机示意图

    Figure 1.  Compound unmanned helicopter with variable flight modes

    图 2  各操纵量权重系数分配

    Figure 2.  Weight coefficient distribution of manipulated variables

    图 3  ADRC结构方块图

    Figure 3.  Structural block diagram of ADRC

    图 4  姿态控制器

    Figure 4.  Attitude controller

    图 5  快速性和稳定性仿真结果

    Figure 5.  Simulation results of fastness and stability

    图 6  抗扰性仿真结果

    Figure 6.  Anti-interference simulation results

    图 7  鲁棒性仿真结果

    Figure 7.  Simulation results of robustness

    表  1  复合式无人直升机主要结构参数

    Table  1.   Main parameters of compound unmanned helicopter

    起飞重
    量/kg
    旋翼转
    速/(r·min−1)
    旋翼
    半径/m
    旋翼桨
    叶片数
    螺旋桨
    半径/m
    螺旋桨
    桨叶片数
    2015500.7520.153
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    表  2  不同飞行模式的操纵策略

    Table  2.   Control strategies for different flight modes

    通道 直升机飞行模式
    的操纵策略
    过渡飞行模式
    的操纵策略
    固定翼飞行模式
    的操纵策略
    航向通道 左右螺旋桨转速 左右螺旋桨转速 左右螺旋桨转速
    滚转通道 横向周期变距 横向周期变距、
    左右副翼
    左右副翼
    俯仰通道 纵向周期变距 纵向周期变距、
    升降舵
    升降舵
    前向拉力通道 纵向周期变距 纵向周期变距、
    左右螺旋桨转速
    左右螺旋桨转速
    升力通道 旋翼总距 升降舵、旋翼总距 升降舵、旋翼总距
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    表  3  姿态ADRC参数

    Table  3.   Parameters of attitude ADRC

    控制器rh[β1,β2]τδ[β01,β02,β03]b
    偏航角
    控制器
    5 1 [9500,5.5] 35 0.05 [2,13.8,0.1] 0.05
    滚转角
    控制器
    2.2 0.9 [2500,3.92] 55 58.1 [67.3500,2.9] 6.5
    俯仰角
    控制器
    2 1.5 [10.62,30] 5.817 219 [8.24,21,0.5] 8.8
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    表  4  姿态PID控制器参数

    Table  4.   Parameters of PID controller

    控制器 比例系数 积分系数 微分系数
    偏航角控制器 12 0.05 2
    滚转角控制器 4 0 1
    俯仰角控制器 3.3 0 0
    偏航角速率控制器 20 0.8 0.05
    滚转角速率控制器 4 10 0
    俯仰角速率控制器 0.05 0 48
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-28
  • 录用日期:  2022-01-14
  • 网络出版日期:  2022-01-28
  • 整期出版日期:  2023-11-30

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