Разработка линейной системы управления тягой винтомоторной группы для БПЛА
Ключевые слова:
линеаризация обратной связью, квадрокоптер, винтомоторная группа, подчиненное регулирование, двигатель переменного тока, синтез, система управленияАннотация
Управление ориентацией и позиционированием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертикального взлета и посадки мультироторного типа в пространстве неразрывно связано с формированием вектора управления движением, состоящего из комбинации тяг и аэродинамических моментов создаваемых каждой винтомоторной группой. Точность и скорость формирования вектора управления движением в значительной степени влияет на ошибки позиционирования и ориентации БПЛА. В большинстве работ, посвященных синтезу систем управления БПЛА, используется вектор управления движением без учета динамики винтомоторных групп, что в некоторых случаях вынуждает снижать быстродействие системы управления. Повысить быстродействие можно за счет повышения быстродействия формирования тяги винтомоторных групп, для чего предложена линейная система управления тягой винтомоторной группы. Винтомоторная группа в своем составе имеет нелинейную внутреннюю связь по аэродинамическому моменту и выходной сигнал – тягу, нелинейно зависящую от квадрата скорости вращения винта. Обычно, винтомоторной группой управляют как электродвигателем – внутреннюю связь по аэродинамическому моменту рассматривают как внешнее возмущение, а тягой управляют посредством изменения скорости вращения винта, которая вычисляется на основании требуемого вектора управления движением. Предлагается рассматривать тягу и аэродинамический момент как составную часть винтомоторной группы, для которой построить линейную систему управления тягой. Для этого выполнена линеаризация обратной связью системы винтомоторной группы, связывающей подаваемое на двигатели напряжение с вектором управления движением, являющимся выходной величиной. Процесс линеаризации разбит на два этапа: на первом этапе выполнена линеаризация обратной связью по состоянию для электродвигателя с внутренней нелинейной связью по аэродинамическому моменту; на втором этапе выполнена линеаризация обратной связью по выходу, полученной на первом этапе системы с нелинейным выходным сигналом – тягой. В соответствии с принципами подчиненного регулирования для линеаризованной обратной связью винтомоторной группы сформировано управление двигателем. Выполнено моделирование. Важным вопросом при применении линеаризации обратной связью является сохранение качественных характеристик системы управления при несоответствии параметров объекта и модели, параметры которой используются для вычисления линеаризующей обратной связи. В работе проведено моделирование при несоответствии некоторых параметров до 50%.
Литература
2. Шавин М.Ю. Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 4(76). С. 1–16.
3. Shavin M., Pritykin D. Tilt-Rotor Quadrotor Control System Design and Mobile Object Tracking // Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019. vol. 20. no. 10. pp. 629–639. https://doi.org/10.17587/mau.20.629-639.
4. Cutler M., How J.P. Analysis and Control of a Variable-Pitch Quadrotor for Agile Flight. // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2015. vol. 137(10). DOI: 10.1115/1.4030676.
5. Pyrkin A., Bobtsov A., Kolyubin S., Borisov O., Gromov V., Aranovskiy S. Output Controller for Quadcopters with Wind Disturbance Cancellation // IEEE Conference on Control Applications (CCA). 2014. pp. 166–170. DOI: 10.1109/CCA.2014.6981346.
6. Demircioglu H., Basturk H. Adaptive Attitude and Altitude Control of a Quadrotor Despite Unknown Wind Disturbances // IEEE 56th Annual Conference on Decision and Control. 2017. pp. 274–279. DOI: 10.1109/CDC.2017.8263678.
7. Andrievsky B., Furtat I. Disturbance observers: methods and applications. II. Applications // Automation and Remote Control. 2020. vol. 81. pp. 1775–1818. DOI: 10.1134/S0005117920100021.
8. Kusaka T., Tanaka R. Stateful Rotor for Continuity of Quaternion and Fast Sensor Fusion Algorithm Using 9-Axis Sensors // Sensors. 2022. vol. 22(20). DOI: 10.3390/s22207989.
9. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Труды СПИИРАН. 2018. Т. 60. № 5. С. 39–63. DOI: 10.15622/sp.60.2.
10. Zulu A., John S. A review of control algorithms for autonomous quadrotors // Open Journal of Applied Sciences. 2014. no. 4. pp. 547–556. DOI: 10.4236/ojapps.2014.414053.
11. Gasparyan O., Darbinyan H., Asatryan A., Simonyan T. On the control of quadcopters based on the feedback linearization method // Proceedings of National Polytechnic University of Armenia. Information Technologies, Electronics, Radio Engineering. 2020. vol. 2. pp. 44–54.
12. Itaketo U., Inyang H. Dynamic Modeling and Performance Analysis of an Autonomous Quadrotor Using Linear and Nonlinear Control Techniques // International Journal of Advances in Engineering and Management. 2021. vol. 3. no. 12. pp. 1629–1641.
13. Воевода А.А., Филюшов В.Ю. Многоконтурная система подчиненного регулирования в многоканальном неквадратном представлении // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2021. Т. 76. С. 90–100. DOI: 10.21667/1995-4565-2021-76-90-100.
14. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов: учеб. пособие для вузов. Ч. 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат // Урал. гос. проф.-пед. ун-т. Екатеринбург: Издательство УГППУ. 1997. 277 с.
15. Fezzani A., Drid S., Makouf A., Chrifi L. Speed sensorless flatness-based control of PMSM using a second order sliding mode observer // 2013 Eighth International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER). 2013. pp. 1–9. DOI: 10.1109/EVER.2013.6521553.
16. Kopecny L., Hnidka J., Bajer J. Drone Motor Control using Fractional-Order PID Controller // International Conference on Military Technologies (ICMT). 2023. pp. 1–5. DOI: 10.1109/ICMT58149.2023.10171276.
17. Herrmann L., Bruckmann T., Bröcker M., Schramm D. Development of a Dynamic Electronic Speed Controller for Multicopters // 18th European Control Conference (ECC). Naples. Italy. 2019. pp. 4010–4015. DOI: 10.23919/ECC.2019.8795711.
18. Krener A., Isidori A. Linearization by output injection and nonlinear observers // Systems & Control Letters. 1983. vol. 3. pp. 47–52.
19. Жевнин А.А., Крищенко А.П. Управляемость нелинейных систем и синтез алгоритмов управления // Докл. АН СССР. 1981. Т. 258. № 4. С. 805–809.
20. Fetisov D. Linearization of affine systems based on control-dependent changes of independent variable // Diff Equat. 2017. vol. 53. pp. 1483–1494. DOI: 10.1134/S0012266117110106.
21. Поляк Б.Т., Хлебников М.В., Рапопорт Л.Б. Математическая теория автоматического управления: учебное пособие // М.: ЛЕНАНД. 2019. 500 с.
22. Филюшов В.Ю. Линеаризация нелинейного трехканального динамического объекта обратной связью // Вестник научных трудов НГТУ. 2017. Т. 66. № 1. С. 74–85.
23. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. // М.: Физматлит. 2004. 464 с.
24. Арзамасцев А.А., Крючков А.А. Математические модели для инженерных расчетов летательных аппаратов мультироторного типа // Вестник ТГУ. 2014. Т. 19. № 6. С. 1821–1828.
25. Kato Y. Performance Evaluation of a Gain-scheduled Propeller Thrust Controller Using Wind Velocity and Rotor Angular Velocity under Fluctuating Wind // IEEE 17th International conference on advanced motion control. 2022. pp. 12–17. DOI: 10.1109/AMC51637.2022.9729317.
26. Виноградов A. Векторное управление электроприводами переменного тока // ГОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина. 2008. 298 с.
27. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. Учебник для ВУЗов // М.: Изд. МЭИ. 2015. 373 с.
28. Гайдук А.Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического управления (полиномиальный подход). // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2012. 360 с.
29. Филюшов В.Ю. Полиномиальный метод синтеза регуляторов по задающему и возмущающим воздействиям // Системы анализа и обработки данных. 2022. Т. 85. № 1. С. 93–108.
30. Филюшов В.Ю. Полиномиальный матричный метод синтеза для многоканальных объектов с неквадратной матричной передаточной функцией: дис. канд. техн. наук: 2.3.1. 2022. 177 с.
31. Andrievsky B., Kuznetsov N.V., Leonov G.A., Pogromsky A.Yu. Hidden oscillations in aircraft flight control system with input saturation // International Federation of Automatic Control proceedings. 2013. vol. 46. no. 12. pp. 75–79. DOI: 10.3182/20130703-3-FR-4039.00026.
Development of a Linear Control System for a Throttle of a UAV Propeller-Motor Group
Abstract
Orientation and positioning control of an unmanned aerial vehicle (UAV) vertical take-off and landing multi-rotor type in space is inextricably linked with the formation of a motion control vector, consisting of a combination of thrusts and aerodynamic moments of each propeller-motor group. The accuracy and speed of formation of the motion control vector greatly affect the positioning and orientation errors of the UAV. Most works devoted to the synthesis of UAV control systems use a motion control vector without taking into account the dynamics of the rotor-motor groups, which in some cases forces the control system to reduce its performance. The performance of the UAV control system can be increased by increasing the speed of generation of the thrust of the propeller-motor groups, for which a system for controlling the thrust of the propeller-motor group has been proposed. The propeller-motor group in its composition has a nonlinear internal connection in the aerodynamic torque and an output signal – thrust, that nonlinearly depends on the square of the propeller rotation speed. Typically, the propeller group is controlled like an electric motor – the internal coupling of the aerodynamic torque is considered an external disturbance, and the thrust is controlled by changing the speed of rotation of the propeller which is calculated based on the required motion control vector. It is proposed to consider thrust and aerodynamic torque an integral part of the propeller-engine group, for which to build a linear thrust control system. For this purpose, we carried out feedback linearization of the rotor-motor group system, connecting the voltage supplied to the motors with the motion control vector, which is the output value. The linearization process is divided into two stages: at the first stage feedback linearization is performed for an electric motor with internal nonlinear coupling by aerodynamic torque; at the second stage, linearization is performed with feedback on the output obtained at the first stage of the system with a nonlinear output signal – thrust. In accordance with the principles of subordinate control, motor control is formed for linearized feedback of the propeller group. Simulation was completed. An important issue when using feedback linearization is the preservation of the quality characteristics of the control system in the event of a mismatch between the parameters of the object and the model, the parameters of which are used to calculate the linearizing feedback. In this work, modeling was carried out with a discrepancy of some parameters up to 50%.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Александр Воевода, Юрий Филюшов, Владислав Филюшов
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).