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《南京航空航天大学》 2012年
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变形翼分布式协同控制技术研究

吴俊  
【摘要】:传统固定机翼飞行器的设计受限制于多种任务之间冲突的要求。随着新型智能材料的发展以及对飞机性能的不断追求,变形翼的概念应运而生。变形翼飞机能够改变机翼外形,从而达到变换飞行器任务以及不用传统操纵面来实现飞行控制的目的,具有执行多种类型的飞行任务、实现传统操纵面不可能实现的全新机动、更省油、减少雷达反射面等优点。美国和欧洲的一大批政府机构、大学和公司正在变形翼研究项目上投入越来越多的资源,以期在不久的将来彻底改变制造和运营飞机的成本。 本文首先设计了一种基于分布式智能舵机系统的变形翼模型,通过舵机的运动带动蒙皮产生翼型变化。基于该模型,从变形翼的性能要求出发,为每个智能体定义一个局部代价函数,以此来协调智能体之间的动态行为。利用代数图论的相关知识重新描述局部代价函数中智能体信息交换的拓扑结构,将变形翼系统解耦。提出一种分布式协同控制方案来驱动变形翼达到期望翼型,并且在变化过程中保持翼面平滑。 其次,分析了变形翼系统在采样通信约束下的一致性收敛条件。根据奈奎斯特判据的另一种公式,结合系统解耦的方法,推导出一种图形化的系统稳定的充要条件。利用该条件以及切比雪夫多项式,推导出分布式协同控制器参数稳定域的计算方法。考虑了智能体之间数据交换时延无法确定的情况。利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论,通过解一个线性矩阵不等式组来保证变形翼系统的通信时延在一定范围内变化时整个系统的稳定性。 然后,分析了网络不稳定、智能体出现故障等情况下,变形翼系统的一致性收敛条件。基于前面提出的图形化判据,利用闭环特征多项式的凸性以及辐角原理等方法,提出了闭环系统在任意拓扑结构下鲁棒稳定的充分必要条件。然后,利用线性矩阵不等式的凸性,推导出变形翼系统在信息交换拓扑结构和通信时延均不确定时,系统的鲁棒稳定性判据。利用锥补线性化算法,给出了一种分布式的、与系统信息交换拓扑结构相同的鲁棒控制器的设计方法。 随后,研究了变形翼系统具有输入约束以及受蒙皮影响时的稳定性能。利用Karush-Kuhn-Tucker充分必要条件、正不变集原理以及李雅普诺夫函数来构造一个椭球集,使所有初始状态在椭球集内的智能体均能够满足变形翼的能量输入约束。对于蒙皮的影响,建模智能体的动力学模型并改进前面提出的分布式协同控制律,在此基础上,应用Lyapunov-Krasovskii泛函,对变形翼系统进行稳定分析。 最后,介绍了变形翼控制系统实验平台。该平台由机柜、智能舵机模块、网络模块和上位机模块四个部分组成,配以包括智能舵机采样控制程序和上位机程序的变形翼分布式协同控制系统软件。该实验平台的研制为变形翼技术的研究提供了实验验证手段,通过一系列Matlab仿真和实验平台的试验,验证了变形翼飞机的分布式协同控制方案的有效性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:V249

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【参考文献】
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