本文關(guān)鍵詞：大尺度變參數(shù)無人機魯棒變增益控制方法研究

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【摘要】：隨著無人機技術(shù)的進步,出現(xiàn)了多種新型無人機,其中有一類無人機在飛行過程中,參數(shù)會發(fā)生大尺度變化,同時變化過程中存在較強的非線性和不確定性,例如變形無人機、高超聲速無人機和高空長航時無人機等。這些參數(shù)包括飛行包線和迎角、側(cè)滑角等外部參數(shù),以及飛機的質(zhì)量和氣動特性等自身參數(shù)。傳統(tǒng)的變增益飛行控制方法在處理這些非線性、大尺度參數(shù)變化和不確定性時往往無法取得好的控制性能,甚至無法穩(wěn)定控制飛機。魯棒變增益控制即是將傳統(tǒng)變增益控制和魯棒控制理論相結(jié)合形成的一種控制方法。自20世紀90年代至今,在理論上取得了一系列重要的研究成果。在實際應(yīng)用中,對于某些使用傳統(tǒng)變增益PID控制無法解決的控制問題取得了一定效果。但是,同時注意到,現(xiàn)有的魯棒變增益控制方法在通用性和工程可實現(xiàn)性上還有諸多不足,使得魯棒變增益控制離工程實用還有些差距。本文將以變形無人機為例,對大尺度變參數(shù)無人機的魯棒變增益控制問題進行研究。針對傳統(tǒng)變增益控制和魯棒變增益控制的優(yōu)缺點,對魯棒變增益控制進行理論研究,研究重點在于增強魯棒變增益控制的實用性,并在變形無人機變形過程的暫態(tài)控制和單側(cè)副翼極限位置卡死無人機的容錯控制中進行應(yīng)用研究。主要研究內(nèi)容如下:1.研究了一類典型的大尺度變參數(shù)無人機-變形無人機-的建模問題。在建立六自由度非線性模型的基礎(chǔ)上采用本文提出的改進的函數(shù)替換法建立了變形無人機的LPV系統(tǒng)模型。并在所建立模型的基礎(chǔ)上對變形過程進行了分析,為變形無人機的魯棒變增益控制提供了模型基礎(chǔ)。2.針對變形無人機變形過程的控制問題,對傳統(tǒng)的變增益控制進行了改進,研究了基于魯棒性能約束和多目標進化算法的魯棒LPV-PID變增益控制方法,并在變形無人機的暫態(tài)控制中進行了應(yīng)用。3.對LPV系統(tǒng)魯棒變增益控制和傳統(tǒng)PID變增益控制方法相結(jié)合的LPV-PID魯棒變增益控制方法進行了研究。通過將靜態(tài)輸出反饋控制設(shè)計方法推廣到LPV系統(tǒng),并采用系統(tǒng)等價變換和結(jié)構(gòu)化方法進一步給出了LPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化魯棒PID控制器設(shè)計方法。并采用一種結(jié)合迭代LMI和多目標進化算法的BMI求解方法來求解設(shè)計過程中產(chǎn)生的BMI問題。4.以單側(cè)副翼極限位置卡死飛機的容錯控制為例,對魯棒變增益控制在容錯控制中的應(yīng)用進行了研究。針對單側(cè)副翼極限位置卡死飛機的特點,給出了基于側(cè)滑角配平的容錯控制方案,并使用魯棒變增益控制方法設(shè)計了側(cè)滑角保持控制器。解決了該容錯控制問題。其中,創(chuàng)新點如下:1.對建立LPV系統(tǒng)模型的函數(shù)替換法進行了改進,并使用其建立了變形無人機的縱向LPV系統(tǒng)模型。該方法在傳統(tǒng)的函數(shù)替換法基礎(chǔ)上引入了部分線性化,從而無需依賴于系統(tǒng)的平衡點,同時可以減少LPV系統(tǒng)中變參數(shù)的個數(shù),增強了函數(shù)替換法的適用范圍和靈活性。2.提出了一種基于改進多目標進化算法的LPV系統(tǒng)魯棒PID變增益控制的設(shè)計方法,并在MUAV的變形暫態(tài)控制中進行了應(yīng)用。該方法使用魯棒控制中的系統(tǒng)范數(shù)和結(jié)構(gòu)奇異值指標作為優(yōu)化目標和約束條件,代替?zhèn)鹘y(tǒng)變增益控制中的穩(wěn)定裕度指標和特征根約束,從而可以處理MIMO系統(tǒng),同時使魯棒性的描述更加直觀。并提出一種基于分解的多目標改進粒子群算法用以優(yōu)化控制器參數(shù),該方法相對于經(jīng)典的多目標遺傳算法NSGA-II有更好的求解性能,并且時間效率顯著提高。3.提出了一種LPV系統(tǒng)H∞魯棒PID變增益控制方法,并針對其特點,對其中的BMI問題求解問題進行了研究。通過將靜態(tài)輸出反饋控制推廣到LPV系統(tǒng),并引入結(jié)構(gòu)化矩陣,給出了LPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化H∞魯棒PID的設(shè)計方法。并針對常規(guī)BMI求解方法容易產(chǎn)生數(shù)值問題的缺點,給出了一種結(jié)合迭代LMI和多目標進化算法的BMI求解方法。4.針對單側(cè)副翼極限位置卡死的容錯控制問題,提出了一種基于側(cè)滑配平的容錯控制方案。使用非線性優(yōu)化方法設(shè)計了側(cè)滑角指令生成器,并使用LPV系統(tǒng)H∞魯棒PID變增益控制方法完成了側(cè)滑角控制器設(shè)計。總而言之,論文圍繞無人機飛行控制中的大尺度變參數(shù)控制問題,結(jié)合傳統(tǒng)的變增益PID控制方法和現(xiàn)有魯棒變增益控制方法,對魯棒變增益控制問題進行了研究,提出了兼具魯棒變增益控制方法的理論嚴密性和變增益PID控制方法實用性的魯棒變增益控制方法,并對其中的系統(tǒng)建模問題、控制器設(shè)計問題和應(yīng)用中存在的問題都進行了研究,并用本文的研究成果解決了變形無人機暫態(tài)控制和單副翼極限位置卡死控制兩個控制問題中存在的大尺度變參數(shù)問題。
【關(guān)鍵詞】：變形無人機 飛行控制 魯棒控制 變增益控制 線性變參數(shù)系統(tǒng) 線性矩陣不等式 進化算法 PID控制
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 研究背景11
• 1.2 無人機飛行控制中的大尺度變參數(shù)問題11-17
• 1.2.1 無人機飛行控制中變參數(shù)問題的分類11-15
• 1.2.2 變形無人機的飛行控制15-17
• 1.3 基于LPV系統(tǒng)的魯棒變增益控制17-19
• 1.3.1 問題引出17
• 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀19
• 1.4 論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排19-22
• 2 變形無人機建模及特性分析22-42
• 2.1 變形無人機模型概述22
• 2.2 氣動特性建模22-25
• 2.2.1 定常氣流假設(shè)22-24
• 2.2.2 氣動力和力矩建模24-25
• 2.3 其他機構(gòu)模型25-26
• 2.3.1 舵機模型25
• 2.3.2 發(fā)動機模型25-26
• 2.4 變形無人機的LPV模型26-33
• 2.4.1 改進的函數(shù)替換法26-27
• 2.4.2 變形無人機的縱向LPV系統(tǒng)模型27-33
• 2.4.3 LPV模型驗證33
• 2.5 變形過程中特性分析33-40
• 2.5.1 多體動力學(xué)分析33-35
• 2.5.2 氣動特性分析35-40
• 2.6 本章小結(jié)40-42
• 3 基于多目標進化算法自調(diào)參的魯棒LPV-PID控制方法42-66
• 3.1 引言42-44
• 3.2 基于混合魯棒性能指標的LPV-PID變增益控制44-46
• 3.3 改進的多目標進化算法46-54
• 3.3.1 多目標遺傳算法概述46-49
• 3.3.2 NSGA-II多目標遺傳算法49
• 3.3.3 一種改進的MOEA算法49-54
• 3.4 在變形無人機控制中的應(yīng)用54-64
• 3.4.1 變形軌跡設(shè)計54-56
• 3.4.2 LPV模型建立56-57
• 3.4.3 魯棒控制設(shè)計結(jié)構(gòu)57-61
• 3.4.4 控制器設(shè)計及仿真結(jié)果61-64
• 3.5 本章小結(jié)64-66
• 4 LPV系統(tǒng)魯棒H∞變增益控制66-94
• 4.1 引言66-68
• 4.2 線性參數(shù)依賴 LPV 系統(tǒng)的魯棒變增益控制68-71
• 4.2.1 線性參數(shù)依賴 LPV 系統(tǒng)(LLPV)68-69
• 4.2.2 多胞型LPV系統(tǒng)的魯棒變增益控制69-71
• 4.2.3 LPV系統(tǒng)到多胞型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化71
• 4.3 基于LMI的參數(shù)依賴LYAPUNOV函數(shù)的LPV系統(tǒng)魯棒變增益控制71-80
• 4.3.1 LPV系統(tǒng)輸出反饋H∞變增益控制72-78
• 4.3.2 控制器實現(xiàn)問題78-80
• 4.4 基于BMI的LPV-PID魯棒變增益控制80-85
• 4.4.1 LPV系統(tǒng)的靜態(tài)輸出反饋控制80-81
• 4.4.2 LPV系統(tǒng)的LPV-PI(D)控制81-85
• 4.5 LPV-SOF和LPV-PI(D)問題的BMI求解85-90
• 4.5.1 基于二次分解的PDBMI求解方法85-88
• 4.5.2 基于粒子群優(yōu)化和迭代LMI的PDBMI求解方法88-90
• 4.6 在變形無人機中的應(yīng)用90-93
• 4.6.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)及結(jié)果90-91
• 4.6.2 仿真結(jié)果91-93
• 4.7 本章小結(jié)93-94
• 5 LPV魯棒H∞變增益控制方法在無人機容錯控制中的應(yīng)用94-113
• 5.1 引言94-95
• 5.2 單副翼極限位置卡死動力學(xué)及配平分析95-100
• 5.2.1 動力學(xué)分析95-98
• 5.2.2 配平分析98-100
• 5.3 控制方法研究及控制律設(shè)計100-109
• 5.3.1 控制器框架100-101
• 5.3.2 側(cè)滑角保持控制器101-107
• 5.3.3 自適應(yīng)指令生成器107-109
• 5.4 仿真分析109-112
• 5.4.1 標稱狀態(tài)仿真109-110
• 5.4.2 魯棒性仿真驗證110-112
• 5.5 本章小結(jié)112-113
• 6 總結(jié)與展望113-117
• 6.1 研究工作總結(jié)113-114
• 6.2 研究工作展望114-117
• 參考文獻117-131
• 附錄A 理論基礎(chǔ)131-149
• A.1 魯棒控制理論基礎(chǔ)131-138
• A.1.1 信號及系統(tǒng)范數(shù)131-133
• A.1.2 基于系統(tǒng)范數(shù)指標的魯棒控制133-136
• A.1.3 結(jié)構(gòu)奇異值理論136-138
• A.2 (雙)線性矩陣不等式理論138-142
• A.2.1 LMI的定義和性質(zhì)138-139
• A.2.2 一些有用結(jié)論139-140
• A.2.3 雙線性矩陣不等式140-142
• A.3 線性變參數(shù)系統(tǒng)142-149
• A.3.1 LPV系統(tǒng)定義142-143
• A.3.2 LPV系統(tǒng)的穩(wěn)定性143-145
• A.3.3 LPV系統(tǒng)的建模方法145-149
• 致謝149-151
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況151-153

【參考文獻】

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本文編號：925963