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基于多学科综合与优化的MAV飞行控制器设计方法研究

曾庆华  
【摘要】:由于微型飞行器(Micro Air Vehicle,简称MAV)受到体积和重量限制,在设计过程中如何从系统角度出发实现多学科综合与集成,显得尤为重要。而飞行控制系统作为飞行器设计中学科间联系最为紧密的子系统,对飞行器性能影响很大。飞行控制系统设计存在两大关键技术问题:(1)如何在飞行控制系统设计中考虑学科间的相互影响,保证控制系统性能的鲁棒性:(2)如何在多学科设计优化研究中考虑控制学科的作用,保证飞行器系统整体性能最优。本文以MAV飞行控制器设计方法研究为背景,以鲁棒控制理论为指导,以多学科集成为基础,开展了MAV飞行控制器多学科设计方法研究。主要研究内容和成果概括如下: 建立了MAV多学科系统分析模型,分析了多学科设计参数之间的数据耦合关系;从MAV非线性微分方程组描述形式出发,研究了状态方程区间模型中不确定性表示方法,推导得到MAV广义对象一般表达式:针对MAV中存在的学科间参数耦合、参数变化、未建模动态等一系列不确定性问题,提出了MAV飞行控制器多学科设计方法。 针对固定翼MAV,开展了以尺寸最小为目标函数的多学科设计优化研究,研制了MAV原型样机,通过理论分析和飞行试验对不同布局MAV飞行性能进行了研究。提出了在MAV多学科集成环境中利用试验设计理论建立MAV不确定性模型的方法,进行了MAV纵向和横侧向通道的鲁棒飞行控制器设计与评估。 研究提出控制学科在回路的多学科设计优化方法。从响应面近似模型出发,推导得到将多学科设计参数直接作为摄动量的不确定性模型,减小了不确定性描述的保守性,降低了控制学科计算量,提高了优化设计算法的收敛性,将鲁棒控制优化和并行子空间优化方法相结合,实现了控制学科与其它学科的并行设计与优化,成功将该方法应用到某无尾布局MAV气动、控制学科优化设计中。 以MAV形变控制鼓包装置几何配置优化问题为例,将MAV中气动学科和控制学科研究相结合,在MAV多学科设计框架中,利用遗传算法解决了MAV气动、控制学科并行设计中的离散优化问题,开展了新型气动控制方案探索性研究。 针对MAV飞行控制器特点,研究了飞行控制器在回路的数学仿真和半实物仿真方 国防科技人学研究生院学位论文 法,建立了MA入/飞行控制器仿真验证平台框架。 论文研究形成的基于多学科综合与优化的M户入z飞行控制器设计方法,能够实现控 制学科和其它学科的并行设计与优化,从而有效保证M户y飞行控制器的鲁棒性和飞行 器整体性能最优,为今后深入开展M户L\/飞行控制问题研究提供了实用、有效的理论和 方法,具有一定应用前景。 关键词:微型飞行器多学科设计优化飞行控制鲁棒控制 第11页


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