[發明專利]三自由度直升機的增益調度控制方法

有效

• 申請號: 201610283890.0
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105759617B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 張聚;程義平;劉敏超;胡標標
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

1.三自由度直升機的增益調度控制方法，包括如下步驟：

步驟1.建立三自由度直升機系統的LPV模型；

1.1，根據三自由度直升機系統的運動特性能夠分析其受力情況，首先建立高度軸運動方程，直升機前后電機帶動螺旋槳，產生的升力分別為F_f與F_b，升力之和為F_m＝F_f+F_b，前后螺旋槳質量相同，M_f＝M_b，配重塊質量為M_w，根據力矩平衡方程能夠得到：

T_g為有效重力矩，代表配重塊與螺旋槳質量對力矩的影響，表示如下：

T_g＝M_fgL_a+M_bgL_a-M_wgL_w (2)

重力矩是一個常數，而且通過式2可以看出，當我們加長配重塊到旋轉軸之間的距離L_w就可以消除它的影響，因此建立高度軸運動方程時可以忽略其影響，最后得到高度軸運動方程如下：

為高度軸的旋轉加速度；

ε為高度角；p為俯仰角；

g為重力加速度；

J_ε為高度軸的轉動慣量，單位是Kg·m²；

K_f為電機推力系數，單位為N/V；

U_f和U_b分別為前后電機的控制輸入電壓，單位為V；

M_f為螺旋槳的質量，單位為Kg；

M_w為配重塊的質量，單位為Kg；

L_a為旋轉軸到電機的距離，單位為m；

L_w為旋轉軸到配重塊中心的距離，單位為m；

1.2，俯仰角的變化是靠兩個電機的電壓差實現的，當電機存在電壓差時，俯仰軸與水平線會存在一個夾角，電機產生的水平方向的力能夠引起旋轉角的變化；但是對于俯仰角度的控制，卻與直升機當前的高度和旋轉的角度是無關的，這也說明了當直升機處于運動狀態中，我們選擇的參數變化時，關于俯仰角的控制策略是不變的；建立俯仰軸運動方程如下：

為俯仰軸的旋轉加速度；

J_p為俯仰軸的轉動慣量，J_p＝2m_fL_h²，單位是Kg·m²；

L_h為俯仰軸到電機中心的距離，單位是m；

1.3，同高度軸和俯仰軸類似，建立旋轉軸初始運動方程如下所示：

在這里不能再忽略高度角和俯仰角對旋轉角的控制影響，旋轉角的變化與它們存在著耦合關系；當我們對旋轉角進行控制時，依靠的是俯仰角度的改變，形成橫向作用力，實際應用中為了系統穩定性考慮，產生的俯仰角度p是很小的，其實p≈sin(p)，為了能準確地建立LPV模型，將運動方程化為如下形式：

為旋轉軸的旋轉加速度；

ε和p分別為高度角和俯仰角；

J_λ為俯仰軸的轉動慣量，J_λ＝2m_fL_h²+2m_fL_a²+m_wL_w²，單位是Kg·m²；

1.4，為了建立三自由度直升機系統的LPV模型，我們定義狀態變量x和輸入參數u分別如下(7)-(8)所示：

u^T＝[U_f U_b] (8)

x^T,u^T分別為x,u的轉置，定義y^T輸出為高度角、俯仰角和旋轉角的矩陣：

y^T＝[ε p λ] (9)

最后根據各個軸的運動方程，建立起的直升機LPV模型如下：

其中：

查閱三自由度直升機技術手冊，可以得到各個系統參數的值，隨之能夠計算得到各個軸的轉動慣量；其中：

K_f＝0.1188(N/V)

M_f＝0.713(Kg)

M_w＝1.87(Kg)

L_a＝0.660(m)

L_h＝0.178(m)

L_w＝0.470(m)

J_ε＝1.034(Kg·m²)

J_p＝0.045(Kg·m²)

J_λ＝1.079(Kg·m²)

步驟2.設計并應用增益調度控制器

2.1，根據步驟1得到三自由度直升機系統的LPV模型，在MATLAB中建立被控系統的計算機模型，為得到增益調度控制器參數做準備，所建立的計算機模型以M語言表示如下：

％定義S_0

A_0＝[0 0 0 1 0 0；0 0 0 0 1 0；0 0 0 0 0 1；0 0 0 0 0 0；0 0 0 0 0 0；0 0 0 00 0]；

B_0＝[0 0；0 0；0 0；0.0758 0.0758；0.4680 -0.4680；0 0]；

C_0＝[1 0 0 0 0 0；0 1 0 0 0 0；0 0 1 0 0 0]；

D_0＝[0 0；0 0；0 0]；

S_0＝ltisys(A_0,B_0,C_0,D_0)；

％定義S_p1

A_p1＝[0 0 0 0 0 0；0 0 0 0 0 0；0 0 0 0 0 0；0 0 0 0 0 0；0 0 0 0 0 0；00.5658 0 0 0 0]；

B_p1＝[0 0；0 0；0 0；0 0；0 0；0 0]；

C_p1＝[0 0 0 0 0 0；0 00 0 0 0；0 0 0 0 0 0]；

D_p1＝[0 0；0 0；0 0]；

S_p1＝ltisys(A_p1,B_p1,C_p1,D_p1,0)；

由于在實際系統中俯仰角不是任意變化的，當俯仰角較大時，直升機系統旋轉角變化速率過快，易導致系統不穩定，因此這里規定俯仰角變化范圍為[-π/6,π/6]，即可變參數θ∈[0.866,1]，θ＝cos(ε)，且認為可變參數速率建立的直升機系統模型pds_hel如下：

％定義參數變化范圍

range＝[0.866 1]；

rate＝[-0.5 0.5]；

pv＝pvec('box',range,rate)；

pds_hel＝psys(pv,[S_0 S_p1])；

2.2，設計三自由度直升機系統閉環反饋回路，并選擇適當的權重函數，加上權重函數后的三自由度直升機閉環系統；選擇權重函數并通過M語言建立反饋回路如下：

[pdP,nmc]＝sconnect('r(3)','e1＝r(1)-G(1)；e2＝r(2)-G(2)；

e3＝r(3)-G(3)；K','K:e1；e2；e3','G:K',pol_hel)；

其中每一個參數均以引號隔開，意義如下：

①第一個參數r(3)代表輸入信號，同時也指出輸入信號的維數；這個系統中只有唯一的輸入信號，就是標量參考信號r(3)；

②第二個參數分成4部分，分別是e1＝r(1)-G(1)，e2＝r(2)-G(2)，e3＝r(3)-G(3)以及K；因為我們需要觀測系統狀態，前面3個部分代表參考信號和直升機系統輸出之間的差值，第4部分則代表控制輸入u；

③第三個參數K:e1；e2；e3不僅定義了控制器的名字，同時也為其指定了輸入，控制器輸入即為參考信號和直升機輸出之間的差值；

④其余參數都是成對出現的，并且為回路中的系統定義了輸入列表和系統矩陣；G:K表明直升機系統G的輸入是控制器K的輸出，pol_hel即為系統狀態空間模型的多胞形式，可由仿射參數依賴模型轉換而來；

2.3，計算增益調度控制器參數，搭建控制器Simulink模塊；相應的控制器參數能夠通過以下語句計算得到：

[gopt,pdK]＝hinfgs(Paug,nmc)

其中pdK中即包含了增益調度控制器的各個參數；

2.4，在Simulink中連接控制器模塊與三自由度直升機模塊，構成反饋回路；三自由度直升機整體硬件構成包括直升機主體、計算機系統、數據采集卡、功率放大器、控制手柄與急停開關；此時能夠通過MATLAB給定跟蹤信號，經計算機計算得到控制電壓后聯動官方軟件QuaRC將數據寫入數據采集卡，然后控制信號流經功率放大器，直接對直升機主體進行控制；外部的數據采集卡還會讀取各個自由度編碼器數值，作為半實物仿真平臺的反饋信息，使整個系統構成閉環回路。