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某无人机全包线控制律设计技术研究

杨大鹏  
【摘要】:无人机在包线范围内不同区域飞行时,其非线性和未建模动态特性严重影响飞行的品质和稳定性,基于固定增益的控制律难以获得满意的控制效果。因此,研究适应样例无人机飞行状态动态变化的控制律设计方法与理论,就成为控制样例无人机在全包线范围内稳定飞行的关键。本文以样例无人机为对象,研究了无人机的包线划分方法,设计了模糊聚类增益调度控制律,实现了样例无人机全包线稳定控制。 首先,应用牛顿刚体动力学理论建立了样例无人机六自由度数学模型,在全包线范围内分析了样例无人机的飞行性能、操纵性能和模态性能,为控制律和增益调度方法的设计提供了依据。 其次,在应用小扰动线性化原理得到样例无人机状态系数矩阵后,将其作为划分聚类原型,结合聚类有效性评估指标,利用模糊聚类划分优化算法,自动划分了样例无人机飞行包线,得到了样例无人机的典型飞行状态的隶属函数。 接着,在样例无人机各典型飞行状态处,应用鲁棒伺服LQR控制理论和经典根轨迹方法设计了以角速率为控制回路,高度和航迹为制导回路的纵横向控制律,实现了样例无人机典型飞行状态下的高品质控制。 然后,在分析基于模糊聚类的增益调度机制合理性的基础上,根据包线划分得到的飞行状态的隶属函数,结合T-S模糊规则,选择真空速和动压作为调度变量,设计了基于Sigmoidal曲线的T-S模糊聚类增益调度方法,实现了控制增益的平滑和连续输出,保证样例无人机在全包线范围内的稳定飞行控制。 最后,在Matlab/Simulink环境下进行全包线飞行仿真,仿真结果表明:基于T-S模糊聚类增益调度控制律的控制品质与鲁棒特性满足样例无人机飞行控制需求,实现了样例无人机全包线范围内安全飞行与稳定控制。


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