RflySim | 姿态控制器设计实验三

一.分析实验

1.调节PID控制器相关参数以改善控制性能并记录超调量和调节时间，得到一组恰当参数；

2.使用调试后的参数，对系统进行扫频以绘制Bode图，观察系统幅频响应,相频响应曲线，分析其稳定裕度；

本实验对应demo文件RflySim v3.0以下版本地址为：*\PX4PSP\RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e5-AttitudeCtrl\e5.2；

对于RflySim v3.0及以上版本地址为：*\PX4PSP\RflySimAPIs\5.RflySimFlyCtrl\1.BasicExps\e5-AttitudeCtrl\e5.2；

打开软件，在MATLAB中打开e5-AttitudeCtrl\e5.2\Init_control.m文件，调节如下俯仰角的 PID 参数。

ModelInitPosE=[0,0,-100];

ModelInitVelB=[0,0,0];

ModelInitAngEuler=[0,0,0];

ModelInitRateB=[0,0,0];

ModelInitRPM=557.1420;

运行Init_control.m文件，"e5-AttitudeCtrl\e5.2\AttitudeControl_tune.slx"文件自动打开。

在“AttitudeControl_tune.slx”中找到AttitudeControl_tune/Control System/AttitudeControl子模块。将期望角速度换成阶跃输入，并将“q”信号线（对应角速度）和阶跃信号线设置为“Enable Data Logging”来得到阶跃响应曲线。

修改文件“Init control.m”中角速度控制环的 PID 参数。首先将积分项和微分项参数设置为 0。

调整比例项参数（“Kp_PITCH_AngleRate”），并每次修改后运行文件“Init control.m”。

设定合适的仿真时间后点击 Simulink 的“Run”按钮，在“Simulaion Data Inspector”中查看输入和输出（如下图）。调试过程中逐渐增大比例项参数，这对应于文件“Init control.m”中的“Kp_PITCH_AngleRate”变量增加。

采用上一步所得到的角速度环参数， 调节角度环比例项系数。将期望俯仰角换成阶跃输入，并将阶跃输入和期望角实际输出设置为 “ Enable Data Logging”。

由小增大外环比例项参数，在“Simulation Data Inspector”中观察阶跃响应。

再进一步微调比例项参数得到最终的响应曲线。

Kp_RP_ANGLE =16;

设定信号输入输出点。将期望俯仰角输入线设为“Open-loop Input” ，俯仰角的实际输出设置为“ Open-loop Output”。扫频得到Bode图。

?二. 设计实验

1.建立姿态控制通道的传递函数模型，设计校正控制器,使得姿态角速度环稳态误差，相位裕度>65°，截至频率>10rad/s;

2.姿态角度环截至频率>5rad/s,相位裕度>60°;使用自己设计的控制器进行硬件在环仿真实验；

本实验对应demo文件对于RflySim v3.0以下版本地址为：*\PX4PSP\RflySimAPIs\Exp02_FlightControl\e5-AttitudeCtrl\e5.3；对于RflySim

v3.0及以上版本地址为：*\PX4PSP\RflySimAPIs\5.RflySimFlyCtrl\1.BasicExps\e5-AttitudeCtrl\e5.3。

首先只对一个通道进行分析，这里选择俯仰角通道，简化后的模型如下图所示（运行"e5-AttitudeCtrl\PID-Config\e5.3\tune\Init_control.m"打开）。

输入为期望角速度，输出为实际角速度,设置输入输出点如图所示。

生成 Bode 图后 ，在左侧 Linear Analysis Workspace中会出现linsys1变量，按图示操作即可得到传递函数模型。

生成Bode图后，在左侧Linear Analysis Workspace中会出现linsys1变量，按图示操作即可得到传递函数模型。

首先根据稳态误差调整开环增益。未加校正时，系统在r（t）= t作用下的稳态误差，可由终值定理求出。

因此要?erss≤0.01，就有K≥100。现在K=410.76 已经大于100，故无需调整。做出未校正系统的Bode图，如图

稳定裕度γ=19.8°不符合要求。考虑使用相位滞后校正，这样既可以使相位裕度达到要求，又能提高系统对高频干扰的抑制能力。考虑设置截止频率在???=12.9rad/s处，由Bode图可知该频率下相位裕度为76度，符合要求，并由Bode图幅频特性曲线得知该频率下幅度响应为29.8dB。

在??c处，要求加入校正后幅频特性为0dB，根据滞后校正环节幅频特性得到

得b=0.0324。为了使滞后校正部分的相位滞后特性对??c处影响不大，所以校正环节的转折频率（bT)-1应设在远离??c十倍频程的地方，即：

将b，??c代入，可得 T= 23.9558。此时校正系统的传递函数为：

将校正器加入到角速度控制环。

加入校正环节后的Bode图如图所示，相位裕度为70°。

依次类推，即可设计得到角度环校正器。按照如下图替换控制模型。即可进行下一步实验。

参考文献：

[1]?全权,杜光勋,赵峙尧,戴训华,任锦瑞,邓恒译.多旋翼飞行器设计与控制[M],电子工业出版社,2018.

[2]?全权,戴训华,王帅.多旋翼飞行器设计与控制实践[M],电子工业出版社,2020.