[发明专利]基于风干扰前馈补偿的四旋翼无人机串级PID控制方法

说明书

本发明属于自动控制领域，针对四旋翼无人机在风场干扰下超调量大，控制性能不稳定等情况，在传统PID算法的基础上设计了一种带有风干扰前馈补偿的串级PID控制器。该方法包括：(1)对自然界的风场按风速特点将其分为四类与传统无人机数学模型集合起来，在此基础上通过牛顿‑欧拉法建立带有风场干扰因子的无人机系统数学模型。(2)通过线性时变控制法(linearparametervarying，LPV)对系统的模型做状态空间线性化处理由非线性模型转换为线性模型，进一步得到得到PID控制系统四个运动通道的传递函数。(3)根据四类风场模型传递函数与四旋翼无人机四个运动通道传递函数，求出四类风场扰动作用在四旋翼无人机四个运动通道的前馈补偿器。

技术领域

本发明属于自动控制的技术领域，涉及一种带有风干扰前馈补偿的串级PID控制方法，用于改善四旋翼无人机的抗风效果。

背景技术

四旋翼无人机是一个多输入多输出的欠驱动系统，具有很强的非线性、强耦合特性，其飞行控制算法一直是研究的热点。四旋翼无人机的数学模型复杂，耦合特性明显，容易受到各种各样的干扰，尤其是风的干扰。在实际工程应用中，经典PID算法以其控制器结构简单、控制原理容易理解、设计容易实现、运行较为可靠且适用范围广等优点，成为了工业控制领域应用最广的算法之一。PID控制器被广泛应用于一些不清楚被控对象的模型不清楚的场合，这时用PID控制器是非常方便的。其在工业过程控制中占据的主导地位是绝无仅有的。因为PID算法具有原理简单、技术成熟、易于实现等显著优点，所以PID算法深受各大无人机研发单位的喜爱，其已被广泛应用于实际工程中。但考虑到四旋翼飞行过程中会受到各种扰动，因此PID算法还有很大的提升空间。

四旋翼无人机在飞行途中难免要遭受到各种各样的干扰，其中风干扰是最常见且对无人机影响最大的一种干扰，在传统的四旋翼无人机控制算法设计时，往往不会考虑风干扰等外部因素的影响，因此他们在建立无人机数学模型时往往也只考虑无人机本身，从而使无人机的抗风扰能力较差，因此研究风干扰下的无人机控制方法是十分有必要的。

发明内容

本发明旨在改善四旋翼无人机等飞行控制系统的抗风扰能力而提出一种基于风干扰前馈补偿因子的双环PID控制方法，其技术方案如下：

步骤一：对自然界的风场按风速特点将其分为四类分别进行建模，将其与传统无人机数学模型集合起来，在此基础上通过牛顿-欧拉法建立带有风场干扰因子的无人机系统数学模型。

步骤二：通过线性时变控制法(linear parameter varying，LPV)对系统的模型做状态空间线性化处理由非线性模型转换为线性模型，进一步得到得到PID控制系统四个运动通道的传递函数。

步骤三：根据四类风场模型传递函数与四旋翼无人机四个运动通道传递函数，求出四类风场扰动作用在四旋翼无人机四个运动通道的前馈补偿器。

有益效果：含前馈补偿的串级PID控制器的稳定性、快速性、准确性都比单级/串级PID控制器算法效果更好，超调量降低约30％，能更快达到稳定，同等条件下比串级PID稳定时间大致提前1-2s满足四旋翼无人机控制系统的要求。

附图说明

图1前馈反馈系统大致结构图。

图2四旋翼无人机前馈补偿串级PID控制系统结构图。

图3阵风干扰时无人机仿真对比图。

图4持续风干扰时无人机仿真对比图。

图5随机风干扰时无人机仿真对比图。

图6为渐变风干扰时无人机仿真对比图。

具体实施方式

步骤一：根据自然风的风速特点，将自然风分为：阵风、渐变风、持续风和随机风。(1)所谓持续风就是指其风速保持不变，可以认为是一个常值，即：