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1、研究生课程论文(2010-2011学年第一学期)直升机模型分析及控制器设计研究生：提交日期：2011年2月25日研究生签名：学号学院自动化科学与工程学院课程编号S0811040课程名称线性系统理论I学位类别硕士任课教师苏教授教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日直升机模型分析及控制器设计摘要：本文以直升机为研究对象，在它以80节速度下水平直线飞行的条件下，得到的一个线性刚体模型。并针对这个线性刚体模型，分别采用极点配置、LQR、PID控制以及四种方法设计控制器以改善直升机系统的性能。通过比较所设计反馈系统之间的调节
2、性能和抗干扰性能，总结了上述四种控制方案各自的优点和缺点。关键词：直升机模型；极点配置；LQR控制；控制；PID控制；Abstract：Thispaperusethehelicopterasresearchobject,itwasinaforwardlevelflightconditionof80knots,wecanderivealinearrigidbodymodelfromit.Andforthelinearrigidbodymodel,thepaperusefourwaystodesignthecontroll
3、erinordertoimprovetheperformanceofthesystem,whichispoleplacement,LQR,andPIDcontrolrespectively.Bycomparingtheregulationperformanceandanti-jammingperformanceofthefeedbacksystemdesigned,wesummarizetheadvantagesanddisadvantagesofthefourkindsofcontroltheories.Keywor
4、ds:helicoptermodel;poleplacement;LQRcontrol;control;PIDcontrol;1引言一个开环的直升机系统（除了对飞行员）在停悬或向前飞行的状态下，对于飞行员来说要求高的工作负荷。增加一个主动控制系统,以减少飞行员的工作量,从而满足严格操控质量要求是必要的,特别是在要求有高性能的操纵的情况下，增加主动控制系统是更加必要的。此外,高度的非线性、强耦合的特点,以及典型的单主梁转子直升飞机的转子动态性能的模型的不确定性，使得主动控制律设计成为一个困难的、具有挑战性的问题。为了满足
5、直升机在复杂的飞行条件下仍然拥有稳定的飞行性能和良好的飞行品质，必须采用全新的控制手段。因此,对一个典型的主要转子直升机在80节速度下水平直线飞行的条件下进行研究，从根本上解决检验的结构和鲁棒性问题的深层的多变量直升飞机飞行控制问题，是一个值得研究的问题。本文主要对直升机模型进行分析，采用极点配置方法、LQR控制、控制和PID控制四种方法设计控制器，并比较反馈系统之间的调节性能和抗干扰性能。2系统建模与模型分析2.1系统模型分析39本模型是一个典型的强交叉耦合的单主梁直升机系统，它以80节的速度水平飞行。在这个系统中,
6、首先从频域的观点，对一个主要转子直升机控制系统进行系统的结构分析和鲁棒性分析。因此,将一个线性刚体模型，也就是一个无转子和执行机构的直升机动态系统，选择适合飞行情况作为一个适当的分析的起点,进行分析。那么，问题就变成了如何选择合适的飞行状态了。事实上,众所周知,旋翼机的动态性能在悬浮状态和水平直线飞行状态下，它们之间有显著的差异。本文以直升机在80节速度下水平直线飞行的条件下，得到的一个线性刚体模型。这样选择有如下两个原因：（1）悬浮的时候的动态性能变化的比较慢，这样的仿真的结果会更加的准确。（2）直升机的多变量结构和
7、鲁棒性的特点可以提供更多的内在的特性，使得得到的结果可以用在更多的飞行器设计上，包括悬浮和快速控制。本模型是一个标准的4输入4输出的多变量控制系统。直升机飞行控制的模型用下面的八阶的状态空间方程表示:其中的A，B，C矩阵分别为：39其中的状态变量x(t)所表示的物理意义为：系统的输出y(t)所表示的物理意义为：39式子中的系数就是输出矩阵C中的对应的系数。控制输入为一个4行1列的矩阵：，其中为4个控制量，表示垂直集体，表示纵向循环，表示侧循环，表示尾部螺旋桨集体。根据系统矩阵A，用MATLAB可求出开环系统的8个特征根
8、为:-10.5527,-3.1993,-0.6531+2.2533i,-0.6531-2.2533i,0.1339+0.3766i,0.1339-0.3766i,-0.4053,-0.0305.(MATLAB程序在附录中)。可知系统存在两个正实数的极点，它们对应的模态为不稳定的模态。同时系统存在一个几乎和原点重合的极点，使得系统的
