Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλο ενός ελικοπτέρου με την ελάχιστη δυνατή πολυπλοκότητα για σκοπούς εξομοίωσης και αναλύονται τα συστήματα ελέγχου και αύξησης ευστάθειας. Οι λόγοι για την χρήση ενός απλοποιημένου μοντέλου είναι το κόστος, η ευελιξία, η εύκολη προσαρμογή σε διαφορετικούς τύπους ελικοπτέρου, καθώς και η καλύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών ελέγχου από την πλευρά του μηχανικού αλλά και από την πλευρά του πιλότου εξομοίωσης. Η προσέγγιση ξεκινά με μια γενική περιγραφή των χαρακτηριστικών ενός ελικοπτέρου και του τρόπου χειρισμού του. Συνεχίζεται με τον καθορισμό των τμημάτων του ελικοπτέρου και ακολουθεί η επεξήγηση των εξισώσεων. Παρουσιάζεται η γενική μέθοδος εφαρμογής του μοντέλου σε διάφορους τύπους ελικοπτέρων με αλλαγή των βασικών δεδομένων. Αναφέρονται πιθανές επεκτάσεις και βελτιώσεις καθώς και συστήματα αυτομάτου ελέγχου που συναντώνται στα πραγματικά ελικόπτερα και μπορούν να ενσωματωθούν στο μοντέλο. Για την καλύτερη κατανόηση των συστημάτων ελέγχου, παρουσιάζονται αναλυτικά, τα συστήματα αύξησης ευστάθειας και αυτόματου ελέγχου πτήσης του ελικοπτέρου UH-60 στους τρεις άξονες κίνησης. / Mathematical model for development of helicopter simulation program. Automatic control systems of helicopter Black Hawk.

Αντικείμενο της εργασίας είναι ο έλεγχος του προσανατολισμού ελικοπτέρου Quadrotor με χρήση ελεγκτή PID. Το ελικόπτερο Quadrotor είναι ένα μη γραμμικό, ασταθές, υποενεργοποιούμενο σύστημα. Για αυτούς τους λόγους, ο έλεγχός του παρουσιάζει σοβαρά προβλήματα. Ο ελεγκτής PID αρχικά εφαρμόζεται στο γραμμικοποιημένο μοντέλο του συστήματος, και εν συνεχεία διακριτοποιείται και εξετάζεται στο πλήρες μη γραμμικό μοντέλο του Quadrotor. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στη ρύθμιση του ελεγκτή PID. Αφού παρουσιαστούν οι κυριότερες μέθοδοι ρύθμισης ενός τέτοιου ελεγκτή, επιλέγεται η μέθοδος Extremum Seeking, μία επαναληπτική μέθοδος που βελτιστοποιεί τον PID ώστε να ελαχιστοποιείται τοπικά μια συνάρτηση κόστους. Σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου αποτελεί το γεγονός ότι μπορεί να εφαρμοστεί κατ' ευθείαν στο μη γραμμικό μοντέλο του συστήματος βελτιστοποιώντας περαιτέρω τον ελεγκτή. Στη συνέχεια ο ελεγκτής PID εξετάζεται σε ένα πραγματικό ελικόπτερο που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο. Στο πειραματικό αυτό σύστημα, η υλοποίηση του PID γίνεται σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή, με τη βοήθεια του προγράμματος Labview ενώ η επικοινωνία ανάμεσα στον υπολογιστή και στο ελικόπτερο επιτυγχάνεται με τη βοήθεια σειριακής θύρας RS232. Μετά τη διεξαγωγή των πειραμάτων και την αξιολόγηση της απόδοσης του ελεγκτή PID, αναφέρονται τα γενικότερα συμπεράσματα της εργασίας, καθώς και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. / This thesis focuses on attitude control of a quadrotor helicopter with PID technique. Quadrotor is a non linear, unstable, underactuated system, so the controller design is a very challenging task. Initially the PID controller is applied to the linearized model of the helicopter, and then to the discretized one, because the controller is later implemented on a personal computer. Then we describe some PID tuning techniques that are often used in practice. In this thesis we use Extemum Seeking which is an iterative, optimization method for the PID tuning that can be used in either linear or non linear models. So Extremum Seeking can be applied to the full non linear model of the quadrotor to further improve the PID parameters. Finally the PID controller is applied to a real Quadrotor helicopter. The controller is implemented on Labview while the communication between the PC and the helicopter is achieved with two RS232 links.