课程设计报告
题目：模糊自整定PID控制飞控模型
班级:智能科学与技术1101班
姓名：韩超 学号：110407119 指导教师：于洪霞
1.0 系统概述
三自由度直升机系统（简称直升机）由基座、平衡杆、平衡块和螺旋桨等部分组成。平衡杆以基座为支点，进行俯仰和转动动作。螺旋桨和平衡块分别安装在平衡杆的两端。螺旋桨旋转产生的升力可以使平衡杆以基座为支点做俯仰动作，利用两个螺旋桨的速度差可以使平衡杆以基座为轴做旋转动作。平衡杆的旋转轴、俯仰轴和螺旋桨的横侧轴分别安装了编码器用以测量平衡杆俯仰轴、旋转轴和螺旋桨横侧轴的数据。两个螺旋桨分别由两个直流无刷电机驱动，为螺旋桨提供动力。通过调节安装在平衡杆另一测的平衡块可以减少螺旋桨电机的出力。安装在基座的集电环保证了系统本体和电控箱之间的信号传送，不受直升机转动的影响。如下图所示：
2.0 系统建模
根据系统的特点我们把它分为三个轴（自由度）来分别建模。
2.1 俯仰轴
由上图可知，俯仰轴的转矩是由两个螺旋桨电机产生的升力F1和F2。故螺 旋桨的升力Fh＝ F1＋F2。当升力Fh大于重力G时，直升机上升；反之直升机 下降。现假定直升机悬在中，并且俯仰角为零，就可得到下列等式：
2.2 横侧轴
由上图可知，横侧轴由两个螺旋桨产生的升力控制，如果F1产生的升力大于F2产生的升力，螺旋桨本体就会产生倾斜，这样就会产生一个侧向力，使直升机围绕基座旋转。
2.3 旋转轴
旋转轴的动力来源是螺旋桨横侧轴倾斜时产生的水平方向升力。对于比较小的横侧角，这个力需要使直升机在空中保持平衡，大约为G。G的水平分量会对旋转轴产生一个力矩，旋转轴由这个力产生旋转加速度。如下图所示：
其运动方程如下：
上式中：
r是旋转速度，单位rad/sec； Sin（p）是横侧角p的正弦值，若横侧角为零，则没有力传递给旋转轴。 由此我们可知俯仰角加速度是加在两个螺旋桨电机的电压和的函数；横侧轴加速度是两个电机电压差的函数；旋转轴的加速度和横侧角成比例关系。
3.0控制系统设计
设计三个模糊自整定PID参数控制器来控制直升机的俯仰位置和旋转速度。
3.1俯仰轴控制器
如果忽略重力扰动力矩Tg,可以得到如下线性系统：
Jeε?KCl1(V1V2)?Kcl1Vs
其中VS?V1?V2是加在电机上的电压之和。
由此推出俯仰轴系统的开环传递函数：
Kl1ε(s)?C2 V（Ss）Jes不忽略重力扰动力矩：
Kl?Glε(s)?C121 V（JesSs）3.2横侧轴控制器
改变直升机横侧轴的倾斜角的大小可以控制直升机的旋转速度，设计一个模糊自整定
PID控制器来控制直升机的横侧角。
横侧轴的有如下线性系统：
Jpp?Kclp(V1?V2)?KclpVd
由此推出横侧轴系统的开环传递函数：
p(s)Kclp ?2Vd(s)Jps3.3旋转轴控制器
旋转轴的动力学方程为：
Jtr?Gsin(p)l1
若横侧角p在一个很小的范围内变化时，可以把上式线性化为：
Jtr?Gl1p
由此推出旋转轴系统的开环传递函数：
p(s)Gl1? r(s)Jts