Návrh optimálního řízení modelu helikoptéry

Abstract

Předmětem této práce je vývoj matematického modelu a řídicího systému pro tandemovou helikoptéru od firmy Quanser s označení 3-DOF. Přestože je tento systém se třemi stupni volnosti poměrně jednoduchý, stále nabízí dobrý model skutečného tandemového vrtulníku. Matematický model je vytvořen uvolněním modelu helikoptéry a následným vytvořením Newton-Eulerových pohybových rovnic. Model je následně linearizován v okolí pracovního bodu. Na soustavu je aplikované zapojení se třemi PID regulátory, které se kvůli silně nelineárnímu chování soustavy nepovedlo nastavit. Jako výkonnější varianta se ukázalo použití lineárního kvadratického regulátoru doplněného o integrační složku (LQI). Při nasazení LQI regulátoru je nutné mít plnou zpětnou vazbu, a proto je v práci vyvinut stavový pozorovatel. Závěrečné hodnocení ukazuje, že LQI regulátor je schopen úspěšně řídit tento systém se slušnými výkonovými charakteristikami i přes vysoce nelineární charakter systému.

The scope of this thesis is the development of a mathematical model and control system for a tandem helicopter from Quanser. Although this system with three degrees of freedom is relatively simple, it still offers a good model of a real tandem helicopter. The mathematical model is created by releasing the helicopter model and then creating Newton-Euler equations of motion. The model is then linearized around the operating point. A connection with three PID controllers is applied to the system, which could not be set due to the strongly nonlinear behavior of the system. The use of a linear quadratic controller with integral action (LQI) proved to be a more powerful variant. When using the LQI controller, it is necessary to have full state feedback, and therefore a state observer is developed in the thesis. The final evaluation shows that the LQI controller is able to successfully control this system with decent performance characteristics despite the highly nonlinear system.