控制工程論文-多種算法下的四旋翼飛行器高度控制設計(編輯修改稿)
2025-07-09 13:43 本頁面
【文章內容簡介】 表示微分時間，是比例系數與微分時間常數之積。 根據（ 4），構造高度控制系統(tǒng) 結構圖 如 1 所示，圖中 zd 是期望得到的高度， 這 里取期望得到的高度值為 5m，并 設定 質量 m=1kg； g=。 在仿真過程中， 先用用常規(guī)的 PID 整定方法得到 PID 的參數為： ???? = ???? = ???? =1 圖 1 高度 PID 控制系統(tǒng)方框圖 PID control system of altitude 將 PID 控制器設定參數如上，對飛行器的高度進行仿真，得到控制效果如下圖： 圖 2 高度的 PID 控制 Simulink 仿真結果 Simulation result of altitude during PID control 接下來 采用 極點配置的方法來整定 PID 控制器的各個參數。 根據 式 （ 4）的形式， 可得 ??1(??) = ????1??1(??)+????1∫??1(??)???? +????1????1(??)???? =????1(??5?? ???5(??)) +????1∫(??5?? ???5(??))???? +????1??(??5?? ???5(??))???? = ?????1??5(??)?????1∫??5(??)???? ?????1??6(??) +????1??5????+????1??5?? (7) 經過計算后，可以看到控制輸入存 在以下幾個部分：飛行器高度的比例項、高度的積分項、高度的微分項 以及 線速度項、時間 t 的比例項和常數項。高度的積分項是沒有實際物理意義的，在四旋翼飛行器的模型中也并沒有變量直接表示位移的積分項，并且時間 t 的比例項的存在也增大了計算的難度，所以為了利用極點配置方法我們將積分環(huán)節(jié)去掉，選擇 PD 控制器來控制飛行器的高度，控制輸入如下： ??1(??) = ?????1??5(??)?????1??6(??)+????1??5?? (8) 按照極點配置的方法， 設 ????(??)= ?????????+???? (9) 則對比得到： ??1 = [????1 ????1] (10) 也就是說， PD 控制器的兩個參數可以直接通過極點配置法得到，當我們選定了合適的閉環(huán)極點，就能T im e ( s )Altitude (m) 3 得到相應的參數。將系統(tǒng)（ 4）寫成如下形式： ????? = ???????? ?????????????+????1??5?? (11) 設定 ????? = ???? ????????? (12) 計算 ?????的特征多項式，即 det[s????????]= s2+ ????1??+????1 (13) 取飛行器位移子系統(tǒng)的兩個期望得到的極點分別為2， 5，則期望得到的特征多項式為： a1?(s)= (s +2)(s +5)= s2 +7s+10 (14) 令兩個多項式各次項系數相等，得到： ????1 = 7， ????1 = 10 這樣，就通過極點配置的方式確定了 PD 控制器的參數，對這一 控制方法 進行仿真，得到的高度 效果圖 如下： 圖 3 高度的 極點配置方法下的 控制 Simulink仿真結果 Simulation result of altitude during PD control 通過 比較圖 2 和圖 3， 看到 PID 控制器設計的高度控制器存在較大的超調量（接近 ），系統(tǒng)在 10s 時趨于穩(wěn)定，而采用極點配置方法飛行器不但消除了超調現(xiàn)象，而且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的速度更快（ 5s 系統(tǒng)達到穩(wěn)定
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