[發(fā)明專(zhuān)利]飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410069797.0
• 申請(qǐng)日: 2014-02-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103809444A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史忠科
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/04
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1.一種飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟1、給定不同高度、馬赫數(shù)下通過(guò)掃頻飛行試驗(yàn)直接由允許飛行的全包線內(nèi)的幅頻和相頻特性構(gòu)成飛行器全包線內(nèi)的操縱舵面與飛行高度之模型簇，并且能夠跨越飛行包線獲得飛行器的顫振頻率，得到對(duì)應(yīng)的飛行器操縱舵面與飛行高度之間開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型簇矩陣為：

其中，G為m×m方陣，m>1為正整數(shù)，s為拉普拉氏變換的自變量，h為飛行器飛行高度，M為馬赫數(shù)，Δ為不確定向量，P為m×m單模方陣，D為m×m多項(xiàng)式對(duì)角矩陣，Q為m×m單模方陣，為多項(xiàng)式，n>1為正整數(shù)；

選取滿足條件：

以及

其中，G_E為m×m方陣，P_E為m×m單模方陣，D_E為m×m多項(xiàng)式對(duì)角矩陣，d_i,E為D_E的第I_E行、第I_E列元素，為D的第I_E行、第I_E列元素，I_E=1,2,…,m,Q_E為m×m單模方陣，為多項(xiàng)式，arg為相角數(shù)學(xué)符號(hào)；

飛行器多回路系統(tǒng)的控制器設(shè)為：

GCA(s)=QE-1(s)Ga0(s)PE-1(s)]]>

其中，G_CA(s)為m×m方陣，G_a0(s)=diag[G_c,1(s),G_c,2(s),…,G_c,m(s)]為m×m對(duì)角矩陣；為G_a0(s)的第I_E行、第I_E列元素，I_E=1,2,…,m；

步驟2、控制器I_E=1,2,…,m的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

(1)令具體表達(dá)形式為：

G0,IE(s)=e-σ(h,M)sK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,s)+ΔIE(s)]]>

其中

A(h,M,s)=s^m+a_m-1(h,M)s^m-1+a_m-2(h,M)s^m-2+…+a₁(h,M)s+a₀(h,M)、

B(h,M,s)=sⁿ+b_n-1(h,M)s^n-1+b_n-2(h,M)s^n-2+…+b₁(h,M)s+b₀(h,M)為多項(xiàng)式，s為傳遞函數(shù)中常用的拉普拉斯變化后的變量，h,M分別為飛行高度和馬赫數(shù)，σ(h,M)是俯仰回路的延遲時(shí)間，K(h,M)為隨h,M變化的增益，a_l(h,M),l=0,1,2,…,m-1為多項(xiàng)式A(h,M,s)中隨h,M變化的系數(shù)簇，b_i(h,M),i=0,1,2,…,n-1為多項(xiàng)式B(h,M,s)中隨h,M變化的系數(shù)簇，(s)為模型中的不確定項(xiàng)；

考慮人機(jī)閉環(huán)特性時(shí)駕駛員模型:

Yp(s)=KpTDs+1TIs+1e-τs]]>

和系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)或頻率特性來(lái)估計(jì)人機(jī)閉環(huán)特性；

其中：K_p為駕駛員環(huán)節(jié)的靜態(tài)增益、τ為駕駛員的固有延時(shí)特性、T_D為駕駛員超前補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)、T_I為駕駛員滯后補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)；

這樣，系統(tǒng)人機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)模型就變?yōu)椋?/p>

GIE(s)=KpTDs+1TIs+1e-τee-σ(h,M)sK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,s)+Δp(s)]]>

其中：Δp(s)=KpTDs+1TIs+1e-τsΔIE(s);]]>

(2)判斷在已知模型不確定部分|[Δ_p(s)]_s=jω|≤Δ₀時(shí)，根據(jù)飛行包線內(nèi)的幅頻特性直接確定開(kāi)環(huán)截止頻率區(qū)間確定方法為：

從|GIE(jω)|=1]]>即|[KpTDs+1TIs+1e-τse-σ(h,M)sK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,s)+Δp(s)]s=jω|=1]]>中，近似為||[KpTDs+1TIs+1e-τse-σ(h,M)sK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,s)]s=jω|s=jω|=1+Δ0,]]>得到開(kāi)環(huán)截止頻率ω_c解的最大值ω_cmax和最小值ω_cmin，開(kāi)環(huán)截止頻率ω_c區(qū)間為ω_cmin≤ω_c≤ω_cmax;

式中，Δ₀為正實(shí)數(shù)，jω為頻率特性中的變量，j為虛部表示，ω為角頻率；

(3)判斷在已知模型不確定部分時(shí)，根據(jù)飛行包線內(nèi)的相頻特性，計(jì)算包線內(nèi)最大相位裕度：

和包線內(nèi)最小相位裕度

直接確定與截止頻率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的相位裕度區(qū)間為：γ_min(ω_c)≤γ(ω_c)≤γ_max(ω_c),ω_cmin≤ω_c≤ω_cmax；

其中，Δ₁為正實(shí)數(shù)；

(4)候選多級(jí)PID控制器的傳遞函數(shù)為：

Gc,IE(s)Πi=1N[kP(i)+kI(i)/s+kD(i)·s]]]>

式中，k_c為待確定的常數(shù)增益，N為整數(shù)，表示待確定的多級(jí)PID控制器的級(jí)數(shù)，k_P(i)、k_I(i)、k_D(i)i=1,2,…,N為待確定的常數(shù)；

加入多級(jí)PID控制器后，

從|GIE(jω)Gc,IE(jω)|=1]]>即

|{Πi=1N[kp(i)+kI(i)/s+kD(i)·s]KpTDs+1TIs+1e-τse-τsK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,S)}S=jω|1+Δ0]]>中，得到開(kāi)環(huán)截止頻率ω_fc解的最大值ω_fcmax和最小值ω_fcmin，開(kāi)環(huán)截止頻率ω_fc區(qū)間為ω_fcmin≤ω_fc≤ω_fcmax，

在飛行器全包線內(nèi)的相位裕度指標(biāo)γ^*給定情況下，加入多級(jí)PID控制器后系統(tǒng)的相位裕度γ_f(ω_fc)應(yīng)該滿足：

即滿足：

在上述指標(biāo)和極大似然準(zhǔn)則或其它準(zhǔn)則共同約束下，可以根據(jù)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)中的極大似然方法或辨識(shí)方法確定多級(jí)PID控制器的級(jí)數(shù)N、常數(shù)k_P(i)、k_I(i)、k_D(i)i=1,2,…,N；

(5)在飛行器全包線內(nèi)的幅值裕度指標(biāo)L^*分貝數(shù)給定情況下，

從20log10|GIE(jω)Gc,IE(jω)|=L*]]>即

20log10|{Πi=1N[kp(i)+kI(i)/s+kD(i)·s]KpTDs+1TIs+1e-τse-τsK(h,M)A(h,M,s)B(h,M,s)}s=jω|=-L*]]>中，得到頻率ω_Lc解的最大值ω_Lcmax和最小值ω_Lcmin，ω_Lc區(qū)間為ω_Lcmin≤ω_Lc≤ω_Lcmax，

判斷：

即滿足：

若滿足，則飛行控制器設(shè)計(jì)完成，若不滿足，再增加多級(jí)PID控制器的級(jí)數(shù)。