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大尺度变参数无人机鲁棒变增益控制方法研究

邵朋院  
【摘要】:随着无人机技术的进步,出现了多种新型无人机,其中有一类无人机在飞行过程中,参数会发生大尺度变化,同时变化过程中存在较强的非线性和不确定性,例如变形无人机、高超声速无人机和高空长航时无人机等。这些参数包括飞行包线和迎角、侧滑角等外部参数,以及飞机的质量和气动特性等自身参数。传统的变增益飞行控制方法在处理这些非线性、大尺度参数变化和不确定性时往往无法取得好的控制性能,甚至无法稳定控制飞机。鲁棒变增益控制即是将传统变增益控制和鲁棒控制理论相结合形成的一种控制方法。自20世纪90年代至今,在理论上取得了一系列重要的研究成果。在实际应用中,对于某些使用传统变增益PID控制无法解决的控制问题取得了一定效果。但是,同时注意到,现有的鲁棒变增益控制方法在通用性和工程可实现性上还有诸多不足,使得鲁棒变增益控制离工程实用还有些差距。本文将以变形无人机为例,对大尺度变参数无人机的鲁棒变增益控制问题进行研究。针对传统变增益控制和鲁棒变增益控制的优缺点,对鲁棒变增益控制进行理论研究,研究重点在于增强鲁棒变增益控制的实用性,并在变形无人机变形过程的暂态控制和单侧副翼极限位置卡死无人机的容错控制中进行应用研究。主要研究内容如下:1.研究了一类典型的大尺度变参数无人机-变形无人机-的建模问题。在建立六自由度非线性模型的基础上采用本文提出的改进的函数替换法建立了变形无人机的LPV系统模型。并在所建立模型的基础上对变形过程进行了分析,为变形无人机的鲁棒变增益控制提供了模型基础。2.针对变形无人机变形过程的控制问题,对传统的变增益控制进行了改进,研究了基于鲁棒性能约束和多目标进化算法的鲁棒LPV-PID变增益控制方法,并在变形无人机的暂态控制中进行了应用。3.对LPV系统鲁棒变增益控制和传统PID变增益控制方法相结合的LPV-PID鲁棒变增益控制方法进行了研究。通过将静态输出反馈控制设计方法推广到LPV系统,并采用系统等价变换和结构化方法进一步给出了LPV系统结构化鲁棒PID控制器设计方法。并采用一种结合迭代LMI和多目标进化算法的BMI求解方法来求解设计过程中产生的BMI问题。4.以单侧副翼极限位置卡死飞机的容错控制为例,对鲁棒变增益控制在容错控制中的应用进行了研究。针对单侧副翼极限位置卡死飞机的特点,给出了基于侧滑角配平的容错控制方案,并使用鲁棒变增益控制方法设计了侧滑角保持控制器。解决了该容错控制问题。其中,创新点如下:1.对建立LPV系统模型的函数替换法进行了改进,并使用其建立了变形无人机的纵向LPV系统模型。该方法在传统的函数替换法基础上引入了部分线性化,从而无需依赖于系统的平衡点,同时可以减少LPV系统中变参数的个数,增强了函数替换法的适用范围和灵活性。2.提出了一种基于改进多目标进化算法的LPV系统鲁棒PID变增益控制的设计方法,并在MUAV的变形暂态控制中进行了应用。该方法使用鲁棒控制中的系统范数和结构奇异值指标作为优化目标和约束条件,代替传统变增益控制中的稳定裕度指标和特征根约束,从而可以处理MIMO系统,同时使鲁棒性的描述更加直观。并提出一种基于分解的多目标改进粒子群算法用以优化控制器参数,该方法相对于经典的多目标遗传算法NSGA-II有更好的求解性能,并且时间效率显著提高。3.提出了一种LPV系统H∞鲁棒PID变增益控制方法,并针对其特点,对其中的BMI问题求解问题进行了研究。通过将静态输出反馈控制推广到LPV系统,并引入结构化矩阵,给出了LPV系统结构化H∞鲁棒PID的设计方法。并针对常规BMI求解方法容易产生数值问题的缺点,给出了一种结合迭代LMI和多目标进化算法的BMI求解方法。4.针对单侧副翼极限位置卡死的容错控制问题,提出了一种基于侧滑配平的容错控制方案。使用非线性优化方法设计了侧滑角指令生成器,并使用LPV系统H∞鲁棒PID变增益控制方法完成了侧滑角控制器设计。总而言之,论文围绕无人机飞行控制中的大尺度变参数控制问题,结合传统的变增益PID控制方法和现有鲁棒变增益控制方法,对鲁棒变增益控制问题进行了研究,提出了兼具鲁棒变增益控制方法的理论严密性和变增益PID控制方法实用性的鲁棒变增益控制方法,并对其中的系统建模问题、控制器设计问题和应用中存在的问题都进行了研究,并用本文的研究成果解决了变形无人机暂态控制和单副翼极限位置卡死控制两个控制问题中存在的大尺度变参数问题。


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