基于預(yù)測(cè)控制的微型共軸無(wú)人直升機(jī)飛行控制研究.pdf

1、在眾多轉(zhuǎn)子配置的旋翼機(jī)型中，微型共軸無(wú)人直升機(jī)（Miniature Coaxial U-nmanned Helicopter，MCUH）因其緊湊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、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(qiáng)耦合和欠驅(qū)動(dòng)的高階非線性系統(tǒng)，這一特性給它的飛行控制帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)MCUH實(shí)現(xiàn)飛行控制的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究具有重大的科學(xué)意義。本論文采用理論分析和數(shù)值仿真結(jié)合的方式，圍繞

2、MCUH的飛行控制展開(kāi)研究。主要工作和取得的成果簡(jiǎn)要敘述如下：
　　為了充分了解MCUH物理特性和對(duì)其進(jìn)行精確仿真，首先依據(jù)牛頓-歐拉剛體動(dòng)力學(xué)方程，考慮直升機(jī)各機(jī)械部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的力和力矩，建立了結(jié)構(gòu)化的非線性模型?？紤]到目前建立的MCUH模型階次普遍較高，而這不利于控制器設(shè)計(jì)，論文首先對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化研究。簡(jiǎn)化的模型充分反映低轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)，并用一集中參數(shù)模型對(duì)上轉(zhuǎn)子和平衡桿進(jìn)行等效。論文進(jìn)一步對(duì)簡(jiǎn)化模型的有效性進(jìn)行時(shí)域驗(yàn)證

3、，結(jié)果表明模型簡(jiǎn)化前后響應(yīng)一致；與已有相關(guān)文獻(xiàn)中建立的模型相比，本論文的簡(jiǎn)化模型階次降低，物理意義明顯。
　　第二部分針對(duì)MCUH系統(tǒng)，研究了直升機(jī)近懸停低速段穩(wěn)定飛行控制問(wèn)題，提出了一種代數(shù)學(xué)方法來(lái)設(shè)計(jì)控制器。該方法通過(guò)配置期望的系統(tǒng)特征多項(xiàng)式來(lái)獲得閉環(huán)控制性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和魯棒的控制器。針對(duì)以往研究中存在系統(tǒng)特征多項(xiàng)式系數(shù)難于選取的問(wèn)題，本論文給出了一種周期地選取系統(tǒng)特征多項(xiàng)式系數(shù)的原則，所設(shè)計(jì)的控制器能使系統(tǒng)獲得較好的暫態(tài)

4、響應(yīng)。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(xiàng)式設(shè)計(jì)方法拓展到MIMO系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中，擴(kuò)大了該方法的應(yīng)用范圍。最后，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　在第三部分，針對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定飛行控制有約束的問(wèn)題，從工程實(shí)現(xiàn)角度提出了一種基于非線性型預(yù)測(cè)控制（Nonlinear Model Predictive Control，NMPC）的控制綜合策略。利用導(dǎo)航和姿態(tài)回路動(dòng)態(tài)特性的差異，將傳

5、統(tǒng)單一集成的NMPC導(dǎo)航控制回路分解成兩個(gè)子回路：NMPC導(dǎo)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(guò)擴(kuò)展預(yù)測(cè)域長(zhǎng)度來(lái)增加可用的在線優(yōu)化時(shí)間并且減輕計(jì)算量。在內(nèi)回路，利用線性控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)，同時(shí)以擾動(dòng)的形式補(bǔ)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(jì)算量明顯減少。最后通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真證實(shí)了該控制策略的穩(wěn)定性。
　　最后一大部分是針對(duì) MCUH飛行控制的兩個(gè)

6、典型應(yīng)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(duì)應(yīng)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(gè)方案中都采用了MPC技術(shù)。
　　針對(duì)MCUH航跡跟蹤控制，提出了一種快速M(fèi)PC設(shè)計(jì)方法。利用系統(tǒng)的微分平坦特性，得到了近似直升機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)的LTV模型，然后將傳統(tǒng)輸出航跡跟蹤NMPC問(wèn)題轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)TV-MPC優(yōu)化問(wèn)題，從而降低了問(wèn)題的復(fù)雜度。論文進(jìn)一步將傳統(tǒng)僅限于漸近定常航跡跟蹤問(wèn)題拓展到時(shí)變航跡跟蹤問(wèn)題。為確保航跡

7、跟蹤誤差系統(tǒng)的指數(shù)漸近穩(wěn)定，設(shè)計(jì)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(guò)數(shù)值仿真，并與本論文中的代數(shù)學(xué)方法和第三部分的NMPC方法進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了這種方法的快速性和可行性。
　　論文針對(duì)MCUH航跡跟隨控制，設(shè)計(jì)了一種采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)時(shí)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(dòng)力學(xué)和航跡參數(shù)動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的增

8、穩(wěn)系統(tǒng)來(lái)描述和分析航跡跟隨問(wèn)題，該方案的優(yōu)勢(shì)就是對(duì)航跡的穩(wěn)定性進(jìn)行直接處理。通過(guò)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(shù)，將增穩(wěn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成基于Lyapunov約束的NMPC問(wèn)題；隨后從穩(wěn)定分析的角度，利用局部控制 Lyapunov函數(shù)設(shè)計(jì)了確保系統(tǒng)NMPC問(wèn)題收斂和漸近穩(wěn)定的終端集和終端代價(jià)。由于每個(gè)采樣時(shí)刻N(yùn)MPC問(wèn)題的解為機(jī)體速度和角速度指令，不能直接作用于實(shí)際系統(tǒng)輸入端，