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自主飞艇的建模与控制系统设计

张燕  
【摘要】: 自主飞艇因其在监测、运输、通讯、勘探等方面和其它工具相比具有特殊的优越性,近年来在国内外得到了广泛的研究。本文在飞艇的建模和控制系统设计两个方面做了以下工作: 在建立数学模型方面,已有文献中有关飞艇的动力学模型大体分为两种描述形式。本文建立了飞艇装备矢量发动机时的第一种动力学模型;又基于飞艇和潜艇的相似性,从能量的角度利用准拉格朗日方程(quasi-Lagrangian Equation)建立了飞艇的第二种动力学方程。建立模型后,本文又分析了两种模型描述的联系。因飞艇的第二种动力学模型描述形式充分展示了其几何结构特性,各个项对应于飞艇均有明确的物理意义,便于使用现代控制理论对其进行控制系统设计,所以本文采用飞艇的第二种数学模型描述形式。 在控制系统设计方面,本文首先研究了自主飞艇的非线性控制系统设计。由于飞艇执行的任务需要其主要在平面内运动,即平面运动是其主要运动状态,本文研究了飞艇平面运动的非线性控制器设计问题。为把飞艇平面运动系统的镇定问题和轨迹跟踪问题纳入一个统一的框架,本文提出了一组新的误差定义,包括飞艇平面运动的位置姿态误差和速度误差。然后根据误差定义建立起飞艇平面运动的误差系统模型。利用Lyapunov稳定性方法和Matrosov定理设计了非线性控制器以镇定此误差系统,统一地解决了飞艇平面运动系统的镇定问题和轨迹跟踪问题。 为保证在具有参数不确定性和外部干扰的情况下,控制系统仍具有较好效果,本文在设计非线性状态反馈控制器的基础上,进一步为上述误差系统设计了非线性状态反馈自适应控制器,使控制器参数随飞艇的物理参数变化而具有自适应能力。 虽然非线性控制器可以同时解决飞艇的系统镇定和轨迹跟踪问题,且有深刻的理论意义,但进一步扩展到飞艇的空间运动会产生复杂的运算,实现难度较大。而且非线性控制器有多个控制参数,不利于其工程应用。为此,本文进一步从简化控制器的角度出发,以期降低其设计复杂度,便于工程应用。为使线性控制器能在大范围内有效,本文考虑把飞艇平面运动的非线性模型等效为一个凸多面体系统,设计了满足凸多面体每个顶点的H_∞鲁棒反馈控制器,并把归结的算法推广到飞艇的空间运动系统。 上述设计的H_∞鲁棒控制器虽然具有稳定性保证,且有较好的控制效果,但没有考虑实际系统的约束。由于预测控制算法可以在线处理各种约束,所以本文基于预测控制原理设计了飞艇平面运动控制系统,并扩展到飞艇的空间运动系统中。为了保证控制的实时性,预测控制用于设计名义系统的最优轨迹,而H∞鲁棒控制器的反馈控制律则用于实施控制,使系统跟踪最优轨迹,仿真结果验证了控制系统的性能。


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