直升机如今在军事、民事或者其他方面都已经有了广泛的应用,而直升机系统和一般的飞行器相比,具有一般飞行器所不具备的特点,如垂直升降、定高悬停、前后侧倾等。因此对直升机及其系统的研究具有十分重要的现实意义。此前研究者们已经在控制领域研究了较多控制方法,本文所涉及的是一种近似显式模型预测控制(Approximate Explicit Model Predictive Control)的控制方法,用以控制直升机系统。近几年模型预测控制逐渐发展成了控制领域的研究热点,在过去,模型预测控制已经大范围地应用在了工业控制领域,但无奈一直受限制而仅适用于系统动态变化相对较慢的场合。因此有了更为进阶的显式模型预测控制,它引入了多参数二次规划,通过离线计算和在线计算以适应采样速率较高、动态变化较快的系统,例如电机、直升机系统。但是离线计算时会有状态分区过多、分区形状不规则和计算耗时过长等问题。本文提出的近似显式模型预测控制方法可以在保证精确性的前提下,降低算法的复杂度,优化了原有的控制方法,同时还将近似显式模型预测控制方法应用于三自由度(Three Degree of Freedom,3-DOF)直升机系统之上,并对其控制效果和性能与原控制方法做出比较和分析。本文的主要工作和成果如下:(1)基于大量文献,简述了模型预测控制的理论基础,综述三自由度直升机控制方法的发展情况和研究现状以及介绍了近似显式模型预测控制的研究现状和发展方向。(2)本文以3-DOF直升机系统(由Quanser公司开发)为研究对象,对其各个组成部件和具体结构进行了系统分析,根据每个自由度在理想情况下的轴运动方程建立了3-DOF直升机系统的数学模型,并且得到了线性化后的系统状态空间模型。(3)介绍了显式模型预测控制理论背景和主要步骤,并分析其在处理不同情况时的优缺点,并且针对在解决复杂模型的过程中出现状态分区过多、复杂度显著上升的难题引入了近似显式模型预测控制。(4)针对显式模型预测控制中出现的难题,本文在基函数分层近似法、自适应阈值法和重心坐标函数的基础上,对原控制算法进行了优化,提出了近似显式模型预测控制算法,降低了算法的空间和时间复杂度。此外,本文还在此基础上将优化后的算法应用至三自由度直升机控制对象之上。(5)设计了直升机姿态控制器,进行了数值仿真实验,包括调节,跟踪实验和抗干扰实验,同时与显式模型预测控制方法在同条件下进行了实验比较。进一步选取数值仿真中效果较好的参数设置在半实物实验中对理论进行检验,分析了直升机实际的飞行效果和控制性能,验证了本算法的可行性。(6)最后作者对文章进行了总结和归纳,以及展望了接下来的研究方向与内容。