控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)資料：直升機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、研究生控制系統(tǒng)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：A區(qū)主樓519房間姓名：胡紅偉實(shí)驗(yàn)日期：2016年4月16日斑號(hào):15S0451學(xué)號(hào):15S004086機(jī)組編號(hào)：同組人：許林楊，張延琪，邱化強(qiáng)，張登輝成績：教師簽字:三自由度直升機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告主編：錢玉恒，楊亞非哈工大航天學(xué)院控制科學(xué)實(shí)驗(yàn)室三自由度直升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、熟悉直升機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理；2、了解直升機(jī)物理模型建模與控制器設(shè)計(jì)；3、掌握PID控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真；4、掌握LQR控制實(shí)驗(yàn)與仿真；5、掌握模糊控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與仿真；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、三自由度直升機(jī)控制系統(tǒng)一套直升機(jī)控制系統(tǒng)

2、包括三自由度直升機(jī)控制器、直升機(jī)本體實(shí)驗(yàn)裝置等組成。在直升機(jī)本體上有起動(dòng)/停止電源開關(guān)，螺旋漿起動(dòng)/停止開關(guān)。2、直升機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)部分直升機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)部分主要有計(jì)算機(jī)、SV-400控制卡等；三、實(shí)驗(yàn)步驟1、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的線路連接三自由度直升機(jī)木體與計(jì)算機(jī)全部采用標(biāo)準(zhǔn)線連接，電源部分有標(biāo)準(zhǔn)電源線，在試驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)裝置的線路已經(jīng)連接完畢。2、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置通電Z前，請(qǐng)?jiān)敿?xì)檢察電源等連線是否正確，確認(rèn)無誤后，可接直升機(jī)本體電源，隨后起動(dòng)計(jì)算機(jī)和控制器。3、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)調(diào)試根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)及控制規(guī)則進(jìn)行參數(shù)調(diào)試（P1D、LQR、模糊等），直到獲

3、得較理想?yún)?shù)為止。四、實(shí)驗(yàn)要求1、學(xué)生上機(jī)前要求學(xué)生在實(shí)際上機(jī)調(diào)試之前，必須用口己的計(jì)算機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的仿真全部做完，并且經(jīng)過老師的檢查許可后，才能申請(qǐng)上機(jī)調(diào)試。2、學(xué)生上機(jī)要求上機(jī)的同學(xué)要按照要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不得有違反操作規(guī)程的現(xiàn)象，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室的有關(guān)規(guī)定。五、系統(tǒng)建模思考題1、寫出系統(tǒng)方程式，并進(jìn)行描述，寫出推理過程？1）俯仰軸數(shù)學(xué)模型分析Fh圖5-1俯仰軸的動(dòng)力學(xué)示意圖由圖知，俯仰運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩由兩個(gè)螺旋槳電機(jī)產(chǎn)生的升力用和用來產(chǎn)生，其升力為仇=兒+凡。當(dāng)升力幾提供的轉(zhuǎn)矩大于阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，直升機(jī)上升，反之直升機(jī)下降。假定直升機(jī)懸在空中，俯仰角

4、保持水平狀況,即俯仰角為+30度（本系統(tǒng)定義+30度角為俯仰軸的水平位置）。其俯仰運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)平衡方程：以=1片?珥r=Fh=F^F2（5-1-1）=i^ys-ts〈咄+冬俯仰運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)微分方程：Je￡=l,KyrTg（5-1-2）結(jié)論：俯仰運(yùn)動(dòng)加速度是螺旋槳電壓和人的函數(shù)。必是俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣，J嚴(yán)叫片+叫I；如滬為1.8145；冷％是兩個(gè)電機(jī)的電壓，它們分別產(chǎn)生升力凡忌&、是螺旋槳電機(jī)的升力常數(shù)，為無刷電機(jī)的固定參數(shù)，為12A/r；厶是支點(diǎn)到電機(jī)的距離，0.88m；厶是支點(diǎn)到平衡塊的距離，0.35m；7；是俯仰軸產(chǎn)生的重力矩，7；涸廠

5、叫爲(wèi)=3.748際必加分別是螺旋槳部分和平衡塊的質(zhì)量，分別為1.8転和3.433転;€是俯仰軸的俯仰角的加速度。2）橫側(cè)軸數(shù)學(xué)模型分析圖5-2橫側(cè)軸的動(dòng)力學(xué)示意圖兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力控制著橫側(cè)軸向上運(yùn)動(dòng)，如果月（一號(hào)螺旋漿）產(chǎn)生的升力大于尺（二號(hào)螺旋漿）產(chǎn)生的升力，兩個(gè)升力就會(huì)使橫側(cè)軸發(fā)生傾斜，使螺旋槳產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，此側(cè)向力將帶動(dòng)直升機(jī)圍繞基座旋轉(zhuǎn)。橫側(cè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)平衡方程:Jpp=F』p?FJp1JPP=KC1P（V,-V2）（5-2-1）IJpp=KclpVd橫側(cè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)微分方程：Jpp=KJpVd（5-2-2）仏是橫側(cè)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)

6、慣量，為0.0252W；厶是橫側(cè)軸支點(diǎn)到電機(jī)的距離，為0.17/Z/；p是橫側(cè)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。結(jié)論：橫側(cè)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)加速度是螺旋槳電壓差仏的函數(shù)。3）旋轉(zhuǎn)軸數(shù)學(xué)模型分析圖5-3旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力學(xué)示意圖螺旋槳橫側(cè)軸傾斜時(shí)產(chǎn)生水平方向分力。橫側(cè)角一般為5度左右，其水平分量會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，此旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程：J/=l^sinfp)(5-3-1)/是旋轉(zhuǎn)速度，單位是rad/sec；p是橫側(cè)角；sin(p)是橫側(cè)角正弦值；結(jié)論：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速度和橫側(cè)角成比例關(guān)系。4)直升機(jī)數(shù)學(xué)模型簡化①俯仰運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型簡化根據(jù)俯仰運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方

7、程，重力矩厶=3?75川.加，同電機(jī)力矩相比較，的影響很小，分析時(shí)可忽略，這樣便于進(jìn)行二階系統(tǒng)設(shè)計(jì)。5T-2式可簡化：Je￡=l]KVs(5-4-1)②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型簡化通常因橫側(cè)角較小(約5度左右)，可令sin(p)^poP—0pfOFhcos{p)—Gsin(p)-p5-3-1式可簡化：J(r=l,Gp(5-4-2)5)直升機(jī)數(shù)學(xué)模型方程組及傳遞函數(shù)建立依上述分析得動(dòng)力學(xué)方程組(5-5-1)(5-5-2)-冷=心、JP=jQp對(duì)5-5-1式進(jìn)行Laplace變換:rJMdWs)■SJpP(s)s'KJpVd(s)J,R(s)s=I

8、fiP(s)5-5-2式求出傳遞函數(shù)一E(s)l,Kc1(Ge(s)=--^=^x—匕(s)s-P匕何Jps2gq_R⑸」QJI*)帀對(duì)5-5-1式進(jìn)行轉(zhuǎn)換JesJe1Je-嚴(yán)乞x“乞"?乞"JpJpJp-