參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估方法研究.pdf

1、飛機(jī)和導(dǎo)彈等飛行器在飛行過程中的穩(wěn)定性由設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)保證。飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從概念到應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的，多約束的任務(wù)。飛行器在飛行過程中要面臨質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置以及動壓等參數(shù)的變化，傳感器等元器件的參數(shù)也會隨著外部條件（如溫度）的變化而改變。飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估工作的目的是通過對飛行器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行全面分析，驗(yàn)證在全包線范圍內(nèi)，在所有正常和故障條件下，以及出現(xiàn)可能的參數(shù)變化時(shí)，飛行控制系統(tǒng)是否能夠正確運(yùn)行并滿足穩(wěn)

2、定性要求，并根據(jù)評估結(jié)果對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案。傳統(tǒng)的頻域評估方法用Nyquist判據(jù)來檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及幅值/相位穩(wěn)定裕度。這種方法只能在不確定參數(shù)空間內(nèi)有限的采樣點(diǎn)處對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行評估，隨著不確定參數(shù)數(shù)量的增加，計(jì)算量會呈指數(shù)式增長。傳統(tǒng)頻域穩(wěn)定性判據(jù)只能對單輸入單輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，當(dāng)飛行器通道間存在較大耦合時(shí)，得到的評估結(jié)果有可能是不準(zhǔn)確的。有時(shí)還需要了解控制系統(tǒng)性能最壞情況時(shí)各不確定參數(shù)的取值，而這種情況不一

3、定發(fā)生在采樣點(diǎn)處，因此很難通過傳統(tǒng)評估方法發(fā)現(xiàn)問題。研究人員當(dāng)前提出的一些新型評估方法也存在一些缺點(diǎn)，基于ν-gap理論的評估方法計(jì)算結(jié)果較為保守，基于結(jié)構(gòu)奇異值理論的評估方法在對不確定參數(shù)全部為實(shí)數(shù)時(shí)的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行評估時(shí)難以得到準(zhǔn)確結(jié)果。在對含有非線性環(huán)節(jié)的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性評估時(shí)，需要進(jìn)行大量的時(shí)域仿真，耗費(fèi)很多時(shí)間，降低了評估工作的效率。
　　針對參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估面臨的問題，需要快速，高效和可靠

4、的評估方法。本文對此展開研究并取得如下幾方面的成果：
　　首先，利用控制系統(tǒng)復(fù)雜度的概念，在ν-gap距離理論的基礎(chǔ)上提出了考慮控制系統(tǒng)復(fù)雜度的改進(jìn)型ν-gap距離的概念，給出了改進(jìn)型ν-gap距離的計(jì)算方法及有關(guān)性質(zhì)，并對其性質(zhì)進(jìn)行了證明。利用改進(jìn)型ν-gap距離將不確定參數(shù)對飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行量化。評估結(jié)果表明基于改進(jìn)型ν-gap理論的飛行控制系統(tǒng)評估方法計(jì)算更精確，降低了評估結(jié)果的保守性；
　　其次，提出一種

5、遺傳-模擬退火混合優(yōu)化算法，同時(shí)具備遺傳算法的全局搜索性能和模擬退火算法的局部搜索性能。經(jīng)測試函數(shù)驗(yàn)證，在計(jì)算時(shí)間相差不大的情況下，混合優(yōu)化算法的計(jì)算結(jié)果比遺傳算法更精確。以飛行控制系統(tǒng)廣義穩(wěn)定裕度為性能指標(biāo)，利用所提出的混合優(yōu)化算法計(jì)算了飛行控制系統(tǒng)廣義穩(wěn)定裕度下界以及導(dǎo)致系統(tǒng)最壞性能的不確定參數(shù)組合；
　　接著，為提高LFT建模的效率，降低LFT模型的復(fù)雜程度，提出一種基于多輸入多輸出系統(tǒng) Roesser狀態(tài)空間模型實(shí)現(xiàn)的LF

6、T建模方法。建模過程全部自動運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的高效建模。通過實(shí)例證明通過所提出的LFT建模算法能夠得到參數(shù)不確定系統(tǒng)的最低階線性分式變換模型；
　　然后，針對結(jié)構(gòu)奇異值理論在參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估中存在的問題，提出基于斜結(jié)構(gòu)奇異值（skewμ）理論的新型評估方法。提出將系統(tǒng)頻率w看作是與其他不確定參數(shù)類似的實(shí)不確定參數(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建參數(shù)不確定飛行器的狀態(tài)空間表達(dá)式，并將某一頻率范圍內(nèi)各頻點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)奇異值

7、計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)單獨(dú)的斜結(jié)構(gòu)奇異值計(jì)算問題。提出兩種方法分別用于計(jì)算斜結(jié)構(gòu)奇異值的上、下界。利用所提出的新型評估方法，對含有不確定參數(shù)的高超聲速飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性進(jìn)行評估，驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。結(jié)果表明所提方法是一種高效且準(zhǔn)確的飛行控制系統(tǒng)評估方法，適用于工程應(yīng)用；
　　最后，針對含非線性環(huán)節(jié)的參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估問題提出新的解決方法。首先提出將控制系統(tǒng)穩(wěn)定裕度指標(biāo)作為虛擬的系統(tǒng)不確定性引入評估模

8、型。利用線性分式變換算法將評估對象分離為已知且確定的線性時(shí)不變系統(tǒng)G(s)和由參數(shù)不確定性、穩(wěn)定裕度指標(biāo)構(gòu)成的虛擬不確定性以及非線性環(huán)節(jié)組成的有界因果算子D，原評估對象可以表示為G(s)和D的反饋互聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)積分二次約束定理，可以在各頻率處判斷評估對象的穩(wěn)定性。為提高計(jì)算效率，提出利用KYP引理將頻域內(nèi)的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式的求解問題。將所提出的評估方法用于含舵機(jī)飽和非線性環(huán)節(jié)的參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估，評估結(jié)果