[發(fā)明專利]一種基于魯棒H無窮的變增益解耦控制方法

有效

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• 申請日: 2015-07-23
• 公開（公告）號: CN105182743B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設計）人: 賈英民;蘇小峰;王曉云
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于魯棒H_∞的變增益解耦控制方法，主要應用于具有參數(shù)不確定和外部擾動的飛行器在大范圍飛行時能夠自主調(diào)節(jié)控制參數(shù)的解耦控制，屬于自動控制技術領域。

背景技術

解耦控制問題的基本目標是設計一個控制器，使得多變量控制系統(tǒng)的每個輸出變量僅由一個輸入變量完全控制，且不同的輸出由不同的輸入控制。在現(xiàn)有的解耦控制方法中，非線性動態(tài)逆在處理非線性系統(tǒng)上得到了廣泛的應用，該方法通過對消的方式得到期望的動態(tài)特性，并且配合設計外環(huán)控制器來有效地解決其魯棒性問題，如W.MacKunis,P.M.Patre,M.K.Kaizer,and W.E.Dixon,"Asymptotic Tracking for Aircraft via Robust and Adaptive Dynamic Inversion Methods,"IEEE Tr.Cont.Sys.Tech.,18(6):1448-1456,2010。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解耦，但是在系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)之前，外部擾動會嚴重地破壞其解耦性能。并且，控制器設計過程中需要計算系統(tǒng)控制矩陣的逆，具有一定的局限性。

另一方面，隨著現(xiàn)代飛行器飛行包線越來越廣，對機動性能的要求也越來越高，在某一平衡點得到的解耦控制器不再適用。因此，必須設計具有自適應調(diào)度能力的控制器。對比于傳統(tǒng)的增益預置方法，基于線性變參數(shù)系統(tǒng)的增益調(diào)度方法能夠反映實際系統(tǒng)的時變特性，并且可以從理論上證明其全局穩(wěn)定性和魯棒性。Apkarian等人(P.Apkarian,P.Gahinet,G.Becker,“Self-scheduled H_∞control of linear parameter varying system:a design example”,Automatica,31(9):1251–1261,1995)對于一類仿射參數(shù)依賴的線性變參系統(tǒng)，運用界實引理和二次Lyapunov函數(shù)設計了具有H_∞性能的增益調(diào)度控制器。Wu等人(F.Wu,Induced L2-norm control for LPV system with bounded parameter variation rates,Internat.J.Robust Nonlinear Control,6(10):983–998,1996)進一步采用了參數(shù)依賴的Lyapunov函數(shù)降低了其解的保守性，但是求解過程復雜。上述方法雖然能較好地解決飛行器的穩(wěn)態(tài)解耦和控制增益調(diào)度的問題。但是，對于具有強耦合、大不確定的飛行器系統(tǒng)，解耦性能的描述和改善，以及大飛行器包線時解耦控制器的自主調(diào)節(jié)問題需要開展進一步的研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對具有不確定參數(shù)和外部擾動飛行器模型，提出一種基于魯棒H_∞理論的變增益解耦控制方法，定量描述閉環(huán)系統(tǒng)通道間的耦合效應并盡可能地消除該耦合，以及最終解耦控制參數(shù)能夠隨飛行軌跡自主調(diào)節(jié)。該發(fā)明包括以下步驟：

第一步，考慮由速度V、攻角α和航跡角μ動態(tài)組成的飛行器縱向動力學模型，該模型具有非線性、強耦合、多變量和不確定的特征。將系統(tǒng)狀態(tài)V，μ，α，和控制輸入q(俯仰角速度)，F(xiàn)_x,F_z(廣義力)分解為標稱值(·)₀與誤差Δ(·)之和的形式，通過變量代換并且代入控制輸入標稱值和q₀的表達式得到對應的非線性誤差系統(tǒng)：可見，當系統(tǒng)存在參數(shù)不確定和外部擾動時，實現(xiàn)x^T＝0即[V μ α]＝[V₀ μ₀ α₀]能夠保證速度、航跡角和攻角通道之間的穩(wěn)態(tài)解耦。

第二步，考慮平衡狀態(tài)V₀,μ₀,α₀時變情形，通過沿時變路徑線性化得到線性變參數(shù)誤差系統(tǒng)：

代入輸出反饋控制器將不確定線性變參數(shù)誤差閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒H_∞問題轉(zhuǎn)化為對應確定系統(tǒng)的魯棒H_∞問題。第三步，采用張量積模型轉(zhuǎn)換方法得到系統(tǒng)矩陣的凸多面體形式，基于魯棒H_∞理論求解有限個數(shù)的頂點系統(tǒng)對應的線性矩陣不等式，得到最終輸出反饋解耦控制器具體表達式。