哈工大无人机实验报告

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《无人机控制系统》课程
实验报告

院系:航天学院控制科学与工程系
班号: 1304105
学号:
姓名:

2016年 10月 20日
审阅教师: 实验成绩:
一、实验目的
1、了解无人机控制系统的设计方法;
2、掌握并熟悉MATLAB仿真工具的使用方法;
3、掌握并熟悉SIMULINK仿真工具的使用方法。
二、实验内容
1、试验对象:无人机俯仰角控制系统设计
2、参数:• 无人机舵系统传递函数为:()0.1()0.11ecsss
• 升降舵偏角与姿态角之间的传递函数为:
2
()3()25es
sss

3、要求:
• 画出系统根轨迹图;
• 分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益;
• 利用Simulink对系统进行仿真和参数调试,并给出最终控制器
及控制效果图。
三、实验步骤
1、画出系统根轨迹图
系统的传递函数

2
3()()()(25)(10)pck
s

Gsssss



在MATLAB中输入以下指令
num=3;
>> den=conv([1 2 5],[1 10]);
>> rlocus(num,den)
画出根轨迹图如下:
Root Locus

Real Axis
I
m
a
g
i
n
a
r
y
A
x
i
s

-30-25-20-15-10-50510
-25
-20
-15
-10
-5
0
5

10
15
20
25

2、确定最大增益
图中根轨迹与虚轴交点的Kp对应最大增益,此时系统临界稳定,
Kp=2503,此时系统的传递函数为

2
()250()()(25)(10)cs
Gsssss



系统开环放大倍数为5。
接下来用增益调试法确定最大增益。
系统的传递函数为23()()()(25)(10)pcksGsssss
当20pk时,系统单位阶跃响应收敛。单位阶跃响应如下图所示。
012345678
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Step Response

Time (sec)
A
m
p
l
i
t
u
d
e

当120pk时,系统单位阶跃响应发散。单位阶跃响应如下图所示。

020406080100120140160180200
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x 10
25
Step Response

Time (sec)
A
m
p
l
i
t
u
d
e
当2503pk时,系统单位阶跃响应临界稳定。单位阶跃响应如下图所
示。

0510152025
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Step Response

Time (sec)
A
m
p
l
i
t
u
d
e

由此可见,2503pk为最大增益。
3、利用Simulink设计控制器

当系统调至最大增益2503pk时,系统出现等幅振荡。由
系统的根轨迹图可知,系统需要一个位于左半平面的零点,且需在实
轴极点之前,这样系统的两个共轭复根会被零点拽回 LHP,从而系
统不会出现发散现象。
由上分析,我们选择 PD 控制器,它可以给系统提供一个 LHP
零点。
画出Simulink模拟图如下图所示。
250
s +12s +25s+50
32
Transfer Fcn
StepScope1Gain11Gain

du/dt
Derivative

系统阶跃响应如下:

可见系统存在较大稳态误差,需再加积分控制器。故重新搭建系统控
制器如下:

250
s +12s +25s+50
32
Transfer Fcn
StepScope1sIntegrator1Gain21Gain15Gain

du/dt
Derivative
系统阶跃响应如下
可见增加积分控制器后系统稳态误差消除。此时系统超调量为
8%,调整时间为2s, 性能较好。
此时控制器传递函数为
2
51()cssGss

四、实验结论
无人机舵系统的传递函数为

2
3()()()(25)(10)pck
s

Gsssss



通过选取适当的 PID 控制器,系统可以有很不错的动态性能。

分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益为2503pk。然
后通过Simulink仿真确定PID控制器参数为5,1,1pidkkk。
因此,控制器传递函数为
2
51()cssGss

此时,系统超调量为8%,调整时间为2s, 无稳态误差,系统性
能较好。