本文關鍵詞：基于預測控制的微型共軸無人直升機飛行控制研究

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【摘要】：在眾多轉(zhuǎn)子配置的旋翼機型中,微型共軸無人直升機(Miniature Coaxial Unmanned Helicopter,MCUH)因其緊湊的設計結構、穩(wěn)定的前向飛行速度和較大的載荷尺寸比贏得了世界范圍內(nèi)的科研工作者的青睞。然而,MUCH是典型的不穩(wěn)定、強耦合和欠驅(qū)動的高階非線性系統(tǒng),這一特性給它的飛行控制帶來很大的挑戰(zhàn)。因此,針對MCUH實現(xiàn)飛行控制的相關問題進行研究具有重大的科學意義。本論文采用理論分析和數(shù)值仿真結合的方式,圍繞MCUH的飛行控制展開研究。主要工作和取得的成果簡要敘述如下:為了充分了解MCUH物理特性和對其進行精確仿真,首先依據(jù)牛頓-歐拉剛體動力學方程,考慮直升機各機械部件在運動過程中產(chǎn)生的力和力矩,建立了結構化的非線性模型。考慮到目前建立的MCUH模型階次普遍較高,而這不利于控制器設計,論文首先對模型進行了簡化研究。簡化的模型充分反映低轉(zhuǎn)子動力學,并用一集中參數(shù)模型對上轉(zhuǎn)子和平衡桿進行等效。論文進一步對簡化模型的有效性進行時域驗證,結果表明模型簡化前后響應一致;與已有相關文獻中建立的模型相比,本論文的簡化模型階次降低,物理意義明顯。第二部分針對MCUH系統(tǒng),研究了直升機近懸停低速段穩(wěn)定飛行控制問題,提出了一種代數(shù)學方法來設計控制器。該方法通過配置期望的系統(tǒng)特征多項式來獲得閉環(huán)控制性能,進而設計簡單和魯棒的控制器。針對以往研究中存在系統(tǒng)特征多項式系數(shù)難于選取的問題,本論文給出了一種周期地選取系統(tǒng)特征多項式系數(shù)的原則,所設計的控制器能使系統(tǒng)獲得較好的暫態(tài)響應。利用現(xiàn)代控制MIMO反饋策略,將傳統(tǒng)的基于SISO控制系統(tǒng)的多項式設計方法拓展到MIMO系統(tǒng)控制器的設計中,擴大了該方法的應用范圍。最后,通過對設計的控制系統(tǒng)進行性能評估驗證了該方法的有效性。在第三部分,針對直升機的穩(wěn)定飛行控制有約束的問題,從工程實現(xiàn)角度提出了一種基于非線性型預測控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)的控制綜合策略。利用導航和姿態(tài)回路動態(tài)特性的差異,將傳統(tǒng)單一集成的NMPC導航控制回路分解成兩個子回路:NMPC導航回路和線性姿態(tài)控制內(nèi)回路。其中,NMPC以分段常值的方式工作在外回路,其目的是通過擴展預測域長度來增加可用的在線優(yōu)化時間并且減輕計算量。在內(nèi)回路,利用線性控制器來實現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn),同時以擾動的形式補償NMPC的低頻帶。與傳統(tǒng)NMPC控制策略相比,這種控制策略的計算量明顯減少。最后通過理論分析和數(shù)值仿真證實了該控制策略的穩(wěn)定性。最后一大部分是針對MCUH飛行控制的兩個典型應用(航跡跟蹤和航跡跟隨),分別在第五章和第六章提出各自對應的基于優(yōu)化的控制方案。同樣考慮到約束的存在,在這兩個方案中都采用了MPC技術。針對MCUH航跡跟蹤控制,提出了一種快速MPC設計方法。利用系統(tǒng)的微分平坦特性,得到了近似直升機非線性動力學的LTV模型,然后將傳統(tǒng)輸出航跡跟蹤NMPC問題轉(zhuǎn)化為LTV-MPC優(yōu)化問題,從而降低了問題的復雜度。論文進一步將傳統(tǒng)僅限于漸近定常航跡跟蹤問題拓展到時變航跡跟蹤問題。為確保航跡跟蹤誤差系統(tǒng)的指數(shù)漸近穩(wěn)定,設計了反饋控制律和Lyapunov函數(shù),并采用了依賴于系統(tǒng)狀態(tài)的終端罰值,以確保跟蹤誤差的收斂。最后通過數(shù)值仿真,并與本論文中的代數(shù)學方法和第三部分的NMPC方法進行對比,證實了這種方法的快速性和可行性。論文針對MCUH航跡跟隨控制,設計了一種采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)時間NMPC控制器。與以往研究中將參考航跡描述成水平集不同,我們直接利用參數(shù)化的參考航跡,使用一種包含航跡誤差動力學和航跡參數(shù)動力學子系統(tǒng)的增穩(wěn)系統(tǒng)來描述和分析航跡跟隨問題,該方案的優(yōu)勢就是對航跡的穩(wěn)定性進行直接處理。通過允許任意小的漸近跟隨誤差的存在,論文利用一非線性輔助控制律,并借助Lyapunov技術,將增穩(wěn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問題轉(zhuǎn)化成基于Lyapunov約束的NMPC問題;隨后從穩(wěn)定分析的角度,利用局部控制Lyapunov函數(shù)設計了確保系統(tǒng)NMPC問題收斂和漸近穩(wěn)定的終端集和終端代價。由于每個采樣時刻NMPC問題的解為機體速度和角速度指令,不能直接作用于實際系統(tǒng)輸入端,因此,再利用動態(tài)逆技術將預測的速度和角速度指令序列的第一組輸入,轉(zhuǎn)化為經(jīng)姿態(tài)內(nèi)回路直接作用于系統(tǒng)的實際伺服輸入。最后通過數(shù)值仿真證實了這種策略的可行性。研究結果表明,本文提出的基于預測控制的微型共軸無人直升機飛行控制律設計方法可行且在優(yōu)化控制性能上有很大進展。該方法在處理系統(tǒng)約束的同時,能很好地預測和優(yōu)化系統(tǒng)將來的行為,從而可為直升機,甚至其它有約束的非線性系統(tǒng)的控制器設計提供很好的參考。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V275.1;V249.1
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本文編號：1268565