Loading...

Dynamic Analysis of Single-Blade Aerial Vehicle and Model Predictive Control for Hovering and Forward Flight

Ezabadi, Mostafa | 2018

616 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 50925 (45)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Aerospace Engineering
  6. Advisor(s): Banazadeh, Afshin; Saghafi, Fariborz
  7. Abstract:
  8. In this research work, modeling, simulation, and controller design for a single-blade aerial vehicle or monocopter are carried out. The combined Momentum and Blade-Element theory is used to calculate the aerodynamic forces and moments. The Newton-Euler approach is employes for the development of the six degrees of freedom equations of motion of the monocopter. The obtained mathematical model is then implemented and solved on computer using MATLAB Simulink environment. A periodic behavior of the states is observed which is compatible with reality. Also, sensitivity studies are carried out in order to better understand how different initial conditions affect the behavior of the monocopter. The monocopter trim conditions are the found and it is shown that having different trim point is also possible. Further studies have been done on the effect of different forms of flap input on the monocopter dynamical responses. What is found is that the translational movement is only possible by applying a cyclic flap input with the same frequency as the rotation frequency of the monocopter. In the second part of this study, the methods of PID and MPC are employed to design a controller for vertical and translational flight phases based on the linear model of the monocopter, and the results are compared
  9. Keywords:
  10. Simulation ; Modeling ; Predictive Control ; Proportional-Integral-Derivative (PID)Controller ; Forward Flight ; Single Bladed Vehicle ; Hover Flight

 Digital Object List

 Bookmark

  • 1 ‌مقدمه
    • 1.1 انگیزه پژوهش
    • 1.2 تعریف مسئله
    • 1.3 پیشینه پژوهش
    • 1.4 اهداف و نوآوری‌ها
  • 2 مدلسازی پرندۀ تک‎بال
    • 2.1 قاب‎ها و دستگاه‎های مختصات لازم برای مدلسازی
    • 2.2 تئوری مومنتم
    • 2.3 تئوری مومنتم برای حرکت محوری
      • 2.3.1 حرکت فراز
        • 2.3.1.1 حرکت شناوری
      • 2.3.2 حرکت فرود
    • 2.4 تئوری المان پره
    • 2.5 ترکیب تئوری‎های مومنتم و المان‎پره
    • 2.6 مدلسازی پرندۀ تک‎بال
      • 2.6.1 معادلات حرکت انتقالی
        • 2.6.1.1 نیروهای آیرودینامیکی
        • 2.6.1.2 نیروی موتور
        • 2.6.1.3 نیروی وزن
      • 2.6.2 بهبود مدل پسا
        • 2.6.2.1 محاسبۀ نیروی پسای ناشی از دیسک هنگام چرخش
      • 2.6.3 معادلات حرکت وضعی
        • 2.6.3.1 گشتاور نیرو‎های آیرودینامیکی
        • 2.6.3.2 گشتاور موتور
    • 2.7 شبیه‎سازی
      • 2.7.1 بررسی اثرات مربوط به شرایط اولیۀ سرعت‎های خطی روی نتایج پرواز
      • 2.7.2 بررسی اثرات مربوط به شرایط اولیۀ سرعت‎های زاویه‎ای روی نتایج پرواز
      • 2.7.3 بررسی اثرات مربوط به شرایط اولیۀ زوایای اویلر روی نتایج پرواز
      • 2.7.4 شرایط تریم
        • 2.7.4.1 شرایط تریم در حالت اول
        • 2.7.4.2 شرایط تریم در حالت دوم
        • 2.7.4.3 شرایط تریم در حالت سوم
    • 2.8 بررسی اثر فلپ در شبیه‎ساز
    • 2.9 جمع‎بندی
  • 3 طراحی کنترل‎کننده
    • 3.1 روش‎های کنترل
      • 3.1.1 کنترل پسخور حالت
      • 3.1.2 کنترل PID
      • 3.1.3 طراحی کنترل‎کنندۀ PID به روش زیگلر ـ نیکولز
    • 3.2 کنترل پیش‎بین
      • 3.2.1 ویژگی‎های اصلی کنترل پیش‎بین
        • 3.2.1.1 وابستگی اعمال انجام‎شده به پیش‎بینی‎ها
        • 3.2.1.2 مدل، اساس پیش‎بینی‎های انجام‎شده
        • 3.2.1.3 انتخاب ورودی
        • 3.2.1.4 افق کاهنده
        • 3.2.1.5 عملکرد بهینه درمقابل عملکرد دقیق
        • 3.2.1.6 تنظیم پارامترها
        • 3.2.1.7 برآورده‎کردن قیود مسئله
        • 3.2.1.8 استفادۀ اصولی از شرایط آینده
        • 3.2.1.9 قابلیت پیاده‎سازی به سیستم‎های چندورودی ـ چندخروجی
      • 3.2.2 نامگذاری
        • 3.2.2.1 بردارهای شامل مقادیر گذشته و آینده
        • 3.2.2.2 ماتریس‎های توپلیتز و هنکل
      • 3.2.3 مدل‎های مختلف برای استفاده در طراحی کنترل‎کنندۀ پیش‎بین
        • 3.2.3.1 مدل فضای حالت نامی
          • اغتشاش در خروجی.
          • اغتشاش در متغیرهای حالت
          • عمل انتگرالی در پسخور حالت.
        • 3.2.3.2 مدل تابع تبدیل
          • مدل تابع تبدیل برای سیستم‎های تک‎ورودی ـ تک‎خروجی
          • انتخاب چندجمله‎ای
          • مدل تابع تبدیل برای سیستم‎های چندورودی ـ چندخروجی.
        • 3.2.3.3 مدل پاسخ ضربۀ محدود
          • مدل پاسخ ضربه.
      • 3.2.4 مدلسازی پیش‎بینی‎ها در کنترل پیش‎بین
        • 3.2.4.1 پیش‌بینی با استفاده از فضای حالت
        • 3.2.4.2 پیش‎بینی با استفاده از مدل تابع تبدیل
          • پیش‎بینی در حالت و سیستم تک‎ورودی ـ تک‎خروجی با یک گام زمانی.
          • پیش‎بینی در حالت و سیستم تک‎ورودی ـ تک‎خروجی با گام زمانی.
          • پیش‎بینی در حالت و سیستم چندورودی ـ چندخروجی.
          • پیش‎بینی در حالت و سیستم تک‎ورودی ـ تک‎خروجی.
      • 3.2.5 اجزای اصلی یک کنترل پیش‎بین
        • 3.2.5.1 تابع هزینه
        • 3.2.5.2 طراحی کنترل‎کنندۀ پیش‎بین با استفاده از مدل تابع تبدیل
    • 3.3 بررسی نتایج
      • 3.3.1 کنترل سرعت عمودی در دستگاه تراز محلی و در شرایط شناوری
        • 3.3.1.1 کنترل تک‎ورودی ـ تک‎خروجی
          • تعقیب ورودی پله.
        • 3.3.1.2 کنترل چندورودی ـ چندخروجی
          • تعقیب همراه با رگلاتور
          • کنترل برای حرکت در صفحۀ دوبعدی
          • کنترل حرکت در فضای سه‎بعدی
          • تعقیب ورودی‎های مختلف
    • 3.4 جمع‎بندی
  • 4 نتيجه‌گيري و پیشنهادات
    • 4.1 جمع‎بندی
    • 4.2 نوآوری‌های پایان‌نامه
    • 4.3 پیشنهادات برای ادامه کار
  • 5 منابع و مراجع
  • 6 پيوست‌ها
    • 6.1 ماتریس‎های توپلیتز و هنکل
    • 6.2 ویژگی‎های ماتریس‎های توپلیتز و هنکل
      • 6.2.1 ضرب چندجمله‎ای‎ها
      • 6.2.2 معکوس ماتریس توپلیتز
      • 6.2.3 جابجایی‎پذیری ماتریس توپلیتز.
    • 6.3 استفاده از ماتریس‎های توپلیتز و هنکل برای سیستم‎های چندورودی ـ چندخروجی
    • 6.4 بررسی ابعاد ماتریس‎های توپلیتز و هنکل
...see more