[發(fā)明專利]一種基于控制約束的擴(kuò)展魯棒H∞的無(wú)人機(jī)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611100078.6
• 申請(qǐng)日: 2016-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106647264B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃奔;朱欣華;王宇;蘇巖;郭民環(huán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于固定翼無(wú)人機(jī)的控制約束的擴(kuò)展魯棒控制方法。該方法設(shè)計(jì)的控制器在對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行擴(kuò)展后，不僅滿足魯棒控制理論要求的線性矩陣不等式下，還滿足推導(dǎo)出的對(duì)控制量進(jìn)行約束的矩陣不等式。原有的控制理論設(shè)計(jì)如果考慮控制量的約束，控制器的性能會(huì)受到很大影響，甚至?xí)环€(wěn)定。本發(fā)明的方法得出在控制量存在約束時(shí)，控制器需滿足的矩陣不等式。此外本方法還能夠在確定最大干擾的情況下，對(duì)控制量進(jìn)行具體的約束，為了在滿足約束的條件下提高控制器的性能，還擴(kuò)展了狀態(tài)變量。仿真實(shí)例證明了本發(fā)明的對(duì)控制量具有約束，性能方面具有超調(diào)小，過(guò)渡平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人的控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種控制方法，特別是一種基于控制約束的擴(kuò)展魯棒的無(wú)人機(jī)控制方法。

背景技術(shù)

在無(wú)人機(jī)的控制方法領(lǐng)域，有很多的控制，在實(shí)際中用到的控制方法大多是基于PID的，PID控制的優(yōu)點(diǎn)是不依靠模型，而且對(duì)于搭載的硬件運(yùn)算能力要求不高，所以在實(shí)際中多采用PID進(jìn)行控制。同時(shí)PID控制器結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單性決定了它在控制品質(zhì)上的局限性，并且這種簡(jiǎn)單性使得PID控制器對(duì)存在時(shí)滯和模型不確定性等被控對(duì)象的控制性能不是很好；此外，PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足指令跟蹤和抑制擾動(dòng)的性能要求。

起源于19世紀(jì)80年代的控制理論能夠克服PID控制的缺點(diǎn)，能夠在系統(tǒng)具有模型不確定性的同時(shí)滿足指令追蹤和擾動(dòng)抑制的問(wèn)題，而且具有很好的動(dòng)態(tài)特性，也成功在無(wú)人直升機(jī)上成功使用。在實(shí)際使用過(guò)程中，因?yàn)榭刂评碚撌菍_動(dòng)到控制輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)的范數(shù)最小化，這個(gè)時(shí)候就會(huì)有控制量超出限制的問(wèn)題，控制量超過(guò)限制后，就會(huì)導(dǎo)致控制效果不理想甚至不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種能夠?qū)刂屏窟M(jìn)行約束的魯棒控制，在原有的保持魯棒穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之上，能夠滿足對(duì)控制量的約束，通過(guò)將誤差積分加入狀態(tài)變量來(lái)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程，使控制器性能在存在控制約束的條件下能夠保持。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種具有控制約束的控制方法，包括下面幾個(gè)步驟：

步驟1、構(gòu)建固定翼無(wú)人機(jī)非線性模型，該非線性模型包括12個(gè)狀態(tài)量，分別是速度V、攻角α、側(cè)滑角β、滾轉(zhuǎn)角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，滾轉(zhuǎn)角速率p、俯仰角速率q，偏航角速率r，以及決定無(wú)人機(jī)位置的三個(gè)狀態(tài)量[x_g，y_g，h]分別是前向位移，側(cè)向位移和高度；

步驟2、將步驟1的無(wú)人機(jī)非線性模型進(jìn)行線性化處理，得到線性化后的模型，寫(xiě)成系統(tǒng)的意義下的狀態(tài)空間方程；

步驟3、確定電機(jī)轉(zhuǎn)速舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度的極限值u_max，然后構(gòu)建控制量約束矩陣X；推導(dǎo)出控制量約束線性矩陣不等式；

步驟4、對(duì)步驟2中構(gòu)建的線性化后的模型進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)需要進(jìn)行指令追蹤的狀態(tài)變量進(jìn)行誤差處理，并且將誤差積分項(xiàng)加入到線性化后的模型中進(jìn)行擴(kuò)展；

步驟5、選取性能指標(biāo)γ₁，γ₂，Δ，將推導(dǎo)出的控制量約束線性矩陣不等式，與原控制方法要求的線性矩陣不等式聯(lián)立得到新的線性矩陣不等式組，然后利用迭代的方法，不斷用次優(yōu)控制器去逼近最優(yōu)控制器，最后得到滿足控制量約束要求且使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的魯棒控制器。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：在保留了控制理論在系統(tǒng)具有模型不確定性的抗擾動(dòng)的特性基礎(chǔ)之上能夠?qū)刂屏窟M(jìn)行約束，避免了執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和等問(wèn)題對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，在明確了最大干擾之后，還能夠?qū)ψ畲罂刂屏窟M(jìn)行具體的約束。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明控制約束系統(tǒng)的控制流程圖。

圖2是本發(fā)明的尋優(yōu)策略。

圖3是本發(fā)明的的擴(kuò)展方法。