基于LPV的變增益控制在三自由度直升機(jī)上的應(yīng)用.pdf

1、直升機(jī)系統(tǒng)不同于一般的飛行控制系統(tǒng)，它能夠做到定點懸停、低速飛行、垂直升降等一般飛行控制系統(tǒng)無法做到的事情。目前對于直升機(jī)的研究也比較全面，特別是在控制領(lǐng)域，前人已經(jīng)研究了較多的控制方法，比較普遍的例如PID（Proportion Integral Derivative）控制，更為進(jìn)階的有模糊PID控制、模糊神經(jīng)控制、顯式模型預(yù)測控制。本文所要闡述的是一種基于LPV（Linear Parameter Varying）系統(tǒng)的增益調(diào)度控制方

2、法。
　　增益調(diào)度（Gain-Scheduling）控制其實是一種較為老牌的針對非線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法，被廣泛應(yīng)用于工程控制領(lǐng)域，尤其是對于高度非線性的飛行控制領(lǐng)域。傳統(tǒng)的增益調(diào)度控制思路簡單，主要是通過選取非線性系統(tǒng)的多個工作點，利用一些成熟的線性化方法設(shè)計多個控制器，在控制過程中根據(jù)用戶自定義的參數(shù)軌跡切換到相應(yīng)的控制器上，從而達(dá)到全局控制的目的。亦或根據(jù)參數(shù)軌跡對局部控制器進(jìn)行插值獲得全局控制器。但傳統(tǒng)的增益調(diào)度控制存在

3、很大的局限性，不僅無法從理論上證明被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且控制器設(shè)計步驟繁瑣，需要通過大量的計算與仿真才能得到期望的控制效果。
　　LPV系統(tǒng)作為一類重要的時變系統(tǒng)，它能夠通過外部可變參數(shù)來擬合飛行控制系統(tǒng)中的非線性與時變特性，達(dá)到更為精確的目的。同時，也能夠通過參數(shù)依賴型二次李雅普諾夫函數(shù)，驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了減少傳統(tǒng)增益調(diào)度控制在直升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中的局限性，本文提出了一種基于LPV系統(tǒng)的增益調(diào)度控制方法，并將其應(yīng)用于三自由度直升機(jī)

4、上，檢驗其控制效果，對控制性能作出分析。本文所研究內(nèi)容創(chuàng)新性凝練如下：三自由度直升機(jī)是一個高度非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制方法均采用線性控制器對其進(jìn)行控制，本文則首次引入增益可變的控制器并將其應(yīng)用于三自由度直升機(jī)，更加突出了它的非線性特性；本文首次提出了三自由度直升機(jī)的LPV模型，這有別于傳統(tǒng)的線性化模型。
　　本文的主要工作和成果如下：
　　（1）分別綜述了三自由度直升機(jī)的控制方法、傳統(tǒng)增益調(diào)度控制、LPV系統(tǒng)與基于LPV系統(tǒng)的增

5、益調(diào)度控制發(fā)展情況及研究現(xiàn)狀。同時也介紹了增益調(diào)度控制的工作原理、優(yōu)勢與局限性，引出了LPV系統(tǒng)概念以及本文為何要將LPV系統(tǒng)與增益調(diào)度控制相結(jié)合的原因。
　?。?）針對Quanser公司開發(fā)的三自由度直升機(jī)平臺，分析每個自由度方向上的運動方程，結(jié)合LPV系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念，建立參數(shù)依賴型的線性模型，其中系統(tǒng)的非線性特性即由變化參數(shù)反映，并得到三自由度直升機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示。將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計算機(jī)語言，為仿真與實際平臺的應(yīng)用做準(zhǔn)備

6、。
　?。?）在模型建立完成后，設(shè)計系統(tǒng)的反饋回路，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能要求選擇權(quán)重函數(shù)，并通過實驗分析所選權(quán)重函數(shù)的不同對系統(tǒng)控制性能的影響。選定滿足要求的權(quán)重函數(shù)后，通過MATLAB的LMI工具箱，設(shè)計控制器。
　?。?）根據(jù)生成的控制器參數(shù)構(gòu)建控制器模塊，并結(jié)合三自由度直升機(jī)的S-函數(shù)模型搭建Simulink模塊圖，給定不同的控制輸入，選取觀測參數(shù)進(jìn)行實驗，驗證控制系統(tǒng)可行性，分析在不同的輸入條件下系統(tǒng)的響應(yīng)性能。隨后分