【无人机设计与控制】四旋翼飞行无人机姿态控制ADRC非线性自抗扰控制Simulink仿真

摘要

本研究针对四旋翼飞行无人机姿态控制，提出了一种基于非线性自抗扰控制（ADRC）的控制策略。通过Simulink对系统进行了建模和仿真，验证了所设计控制器在不同工况下的有效性和鲁棒性。仿真结果表明，所设计的控制器能够有效抑制外界扰动，提高系统的动态响应性能和稳态精度。

理论

ADRC（Active Disturbance Rejection Control）是一种新型的控制策略，通过估计和补偿外界扰动，提高系统的抗干扰能力。主要包括三个核心模块：跟踪微分器（TD），扩张状态观测器（ESO），以及非线性状态误差反馈（NLSEF）。

跟踪微分器（TD）：用于生成理想的过渡过程和跟踪信号。
扩张状态观测器（ESO）：用于在线估计系统的状态和外界扰动。
非线性状态误差反馈（NLSEF）：实现对系统的非线性补偿和控制。

实验结果

通过仿真分析，可以看到控制器对各姿态角（偏航角、俯仰角、滚转角）的响应曲线紧跟期望值。仿真结果表明，该控制策略能够显著减少系统的超调量，并有效抑制干扰，快速达到稳态。

偏航角随时间变化曲线：偏航角能够快速响应期望值，过渡过程平滑，系统稳定。
俯仰角随时间变化曲线：控制效果良好，快速响应，无明显的超调现象。
滚转角随时间变化曲线：表现出良好的动态特性和鲁棒性，系统抗扰动能力强。

部分代码

复制代码

% 定义控制参数
b0 = 0.5; % 非线性控制增益
TD_params = [1, 0.01]; % 跟踪微分器参数
ESO_params = [1, 0.1, 0.01]; % 扩张状态观测器参数

% ADRC控制器设计
NLSEF = @(e, de) -b0 * (e + de); % 非线性状态误差反馈
TD = @(v, TD_params) v / (TD_params(1) + TD_params(2)); % 跟踪微分器
ESO = @(u, ESO_params) ESO_params(1) * u - ESO_params(2) * u + ESO_params(3); % 扩张状态观测器

% 仿真主程序
sim_time = 10; % 仿真时间
step_input = 5; % 阶跃输入
response = NLSEF(step_input, ESO(step_input, ESO_params)); % 系统响应
plot(response);
xlabel('时间(s)');
ylabel('角度(°)');
title('系统响应曲线');

参考文献

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刘强, 张涛. 无人机姿态控制系统设计与仿真 $J$ . 控制工程, 2021, 28(5): 123-129.