《无人机控制系统》课程
实验报告
院系：航天学院控制科学与工程系 班号： 1304105 学号：
姓名：
2016年 10月 20日
审阅教师： 实验成绩：
一、实验目的
1、了解无人机控制系统的设计方法；
2、掌握并熟悉MATLAB仿真工具的使用方法； 3、掌握并熟悉SIMULINK仿真工具的使用方法。 二、实验内容
1、试验对象：无人机俯仰角控制系统设计 2、参数：• 无人机舵系统传递函数为：
δe(s)0.1
=
δc(s)0.1s+1
• 升降舵偏角与姿态角之间的传递函数为： 3、要求：
• 画出系统根轨迹图；
• 分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益； • 利用Simulink对系统进行仿真和参数调试，并给出最终控制器 及控制效果图。 三、实验步骤 1、画出系统根轨迹图 系统的传递函数
3kpθ(s)
G(s)=， =
δc(s)(s2+2s+5)(s+10)
θ(s)3
=2
δe(s)s+2s+5
在MATLAB中输入以下指令 num=3;
>> den=conv([1 2 5],[1 10]); >> rlocus(num,den) 画出根轨迹图如下:
Root Locus
2520
15
Imaginary Axis
1050-5-10-15-20-25-30
-25-20-15-10Real Axis
-50510
2、确定最大增益
图中根轨迹与虚轴交点的Kp对应最大增益，此时系统临界稳定，Kp=
250
,此时系统的传递函数为 3
G(s)=系统开环放大倍数为5。
θ(s)250
=2 δc(s)(s+2s+5)(s+10)
接下来用增益调试法确定最大增益。 系统的传递函数为G(s)=
3kpθ(s)
=2
δc(s)(s+2s+5)(s+10)
当kp=20时，系统单位阶跃响应收敛。单位阶跃响应如下图所示。
Step Response
0.90.8
0.70.6
Amplitude
0.50.40.30.20.10
01234Time (sec)
5678
当kp=120时，系统单位阶跃响应发散。单位阶跃响应如下图所示。
x 10
25
Step Response
8
6
4
2
Amplitude
-2
-4
-6
-8
[1**********]0Time (sec)
[**************]
当kp=示。
250
时，系统单位阶跃响应临界稳定。单位阶跃响应如下图所3
Step Response
1.81.6
1.41.2
Amplitude
10.80.60.40.20
0510
Time (sec)
152025
由此可见，
kp=
250
3为最大增益。
3、利用Simulink设计控制器 当系统调至最大增益
kp=
250
3时，系统出现等幅振荡。由
系统的根轨迹图可知，系统需要一个位于左半平面的零点，且需在实 轴极点之前，这样系统的两个共轭复根会被零点拽回 LHP，从而系统不会出现发散现象。
由上分析，我们选择 PD 控制器，它可以给系统提供一个 LHP 零点。
画出Simulink模拟图如下图所示。
e
系统阶跃响应如下：
可见系统存在较大稳态误差，需再加积分控制器。故重新搭建系统控制器如下：
系统阶跃响应如下
可见增加积分控制器后系统稳态误差消除。此时系统超调量为8%，调整时间为2s, 性能较好。
此时控制器传递函数为
s2+5s+1
Gc(s)=
s
四、实验结论
无人机舵系统的传递函数为 G(s)=
3kpθ(s)
=2
δc(s)(s+2s+5)(s+10)
通过选取适当的 PID 控制器，系统可以有很不错的动态性能。分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益为
kp=
250
3。然
后通过Simulink仿真确定PID控制器参数为kp=5,ki=1,kd=1。
因此，控制器传递函数为
s2+5s+1
Gc(s)=
s
此时，系统超调量为8%，调整时间为2s, 无稳态误差，系统性能较好。
《无人机控制系统》课程
实验报告
院系：航天学院控制科学与工程系 班号： 1304105 学号：
姓名：
2016年 10月 20日
审阅教师： 实验成绩：
一、实验目的
1、了解无人机控制系统的设计方法；
2、掌握并熟悉MATLAB仿真工具的使用方法； 3、掌握并熟悉SIMULINK仿真工具的使用方法。 二、实验内容
1、试验对象：无人机俯仰角控制系统设计 2、参数：• 无人机舵系统传递函数为：
δe(s)0.1
=
δc(s)0.1s+1
• 升降舵偏角与姿态角之间的传递函数为： 3、要求：
• 画出系统根轨迹图；
• 分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益； • 利用Simulink对系统进行仿真和参数调试，并给出最终控制器 及控制效果图。 三、实验步骤 1、画出系统根轨迹图 系统的传递函数
3kpθ(s)
G(s)=， =
δc(s)(s2+2s+5)(s+10)
θ(s)3
=2
δe(s)s+2s+5
在MATLAB中输入以下指令 num=3;
>> den=conv([1 2 5],[1 10]); >> rlocus(num,den) 画出根轨迹图如下:
Root Locus
2520
15
Imaginary Axis
1050-5-10-15-20-25-30
-25-20-15-10Real Axis
-50510
2、确定最大增益
图中根轨迹与虚轴交点的Kp对应最大增益，此时系统临界稳定，Kp=
250
,此时系统的传递函数为 3
G(s)=系统开环放大倍数为5。
θ(s)250
=2 δc(s)(s+2s+5)(s+10)
接下来用增益调试法确定最大增益。 系统的传递函数为G(s)=
3kpθ(s)
=2
δc(s)(s+2s+5)(s+10)
当kp=20时，系统单位阶跃响应收敛。单位阶跃响应如下图所示。
Step Response
0.90.8
0.70.6
Amplitude
0.50.40.30.20.10
01234Time (sec)
5678
当kp=120时，系统单位阶跃响应发散。单位阶跃响应如下图所示。
x 10
25
Step Response
8
6
4
2
Amplitude
-2
-4
-6
-8
[1**********]0Time (sec)
[**************]
当kp=示。
250
时，系统单位阶跃响应临界稳定。单位阶跃响应如下图所3
Step Response
1.81.6
1.41.2
Amplitude
10.80.60.40.20
0510
Time (sec)
152025
由此可见，
kp=
250
3为最大增益。
3、利用Simulink设计控制器 当系统调至最大增益
kp=
250
3时，系统出现等幅振荡。由
系统的根轨迹图可知，系统需要一个位于左半平面的零点，且需在实 轴极点之前，这样系统的两个共轭复根会被零点拽回 LHP，从而系统不会出现发散现象。
由上分析，我们选择 PD 控制器，它可以给系统提供一个 LHP 零点。
画出Simulink模拟图如下图所示。
e
系统阶跃响应如下：
可见系统存在较大稳态误差，需再加积分控制器。故重新搭建系统控制器如下：
系统阶跃响应如下
可见增加积分控制器后系统稳态误差消除。此时系统超调量为8%，调整时间为2s, 性能较好。
此时控制器传递函数为
s2+5s+1
Gc(s)=
s
四、实验结论
无人机舵系统的传递函数为 G(s)=
3kpθ(s)
=2
δc(s)(s+2s+5)(s+10)
通过选取适当的 PID 控制器，系统可以有很不错的动态性能。分别用根轨迹法和增益调试的方法求出系统最大增益为
kp=
250
3。然
后通过Simulink仿真确定PID控制器参数为kp=5,ki=1,kd=1。
因此，控制器传递函数为
s2+5s+1
Gc(s)=
s
此时，系统超调量为8%，调整时间为2s, 无稳态误差，系统性能较好。