[發明專利]一種無人直升機自適應低階控制器

有效

• 申請號: 201710146393.0
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106842953B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 賈杰
• 申請（專利權）人: 杭州睿杰智能空中機器人科技有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 姚海波

本發明涉及一種無人直升機自適應低階控制器。包括規劃與辨識器，所述規劃器用于監視被控系統的控制輸入和控制輸出，當被控系統的穩態控制輸出不滿足預設要求時，利用所述辨識器進行在線辨識并啟動結構濾波器、內模控制器和雙環滑模控制器進行控制器參數修正；結構濾波器，用于對所述內模控制器的濾波環節進行修正控制；內模控制器，用于對被控系統的內部模型和反饋修正進行預測控制；雙環滑模控制器，用于對姿態角和姿態角速度進行跟蹤控制；控制分量綜合模塊，用于對控制分量求和，得到被控系統的控制量。本發明解決存在未知有界干擾、推力誤差和定位誤差情況下的太空垃圾捕獲系統的復雜高階動力學魯棒控制問題，也便于處理控制約束和狀態約束。

技術領域

本發明涉及無人機控制領域，具體的說是一種無人直升機自適應低階控制器。

背景技術

無人直升機系統模型是高階動力學系統，設計高階控制器一般具有與被控對象模型可比的階次，具有不易理解，計算量大、不易實現，硬、軟件中缺陷多，可靠性不高等缺陷。因此在控制系統設計中，通常寧愿選用簡單的線性控制器而不用復雜的控制器。只要最終性能誤差保持在允許范圍內，就應當尋找低階控制器。低階控制器具有的較好的工程可實現性與其在工業控制中廣泛的應用，可以作為理論與實際的一個最佳結合點。近十年來，低階控制器設計理論和方法成為國內外控制界的研究熱點之一，國內外控制理論界學者對此類問題作了大量研究。

低階控制器設計大體可分為三種：第一種是直接針對高階模型設計低階控制器，目前尚是一個基本沒有解決的研究問題，Lagrange乘子法是解這類問題的潛在有用方法。第二種是先降低高階對象的階次，然后基于降階對象模型設計相應的低階控制器。這種方法潛在的問題是這樣設計的低階控制器有可能不能鎮定全階對象，因為在設計控制器時沒有考慮全階模型與降階模型的誤差信息。第三種首先設計高階次、高性能控制器，繼而對設計的控制器進行降階。

時域的集結法、攝動法，頻域的矩匹配法、Padé近似計算法、Routh近似法和連分式法等都是模型降階的基本方法。基于誤差準則的最小二乘法、極大似然法等也可達到模型簡化的目的。基于狀態空間的內部平衡截斷法、Hankel-范數近似法、q方差等價實現法、互質因子法、時間尺度分離等。對于時域的集結法(即主導極點法)，是通過選取主導極點來簡化，由于極點離虛軸的遠近僅僅考慮了衰減速度的快慢，而這些極點所對應的響應振幅并沒有考慮進去。尤其對于階次較高的系統，在計算特征值的倒數時，會引入不可忽視的誤差，造成嚴重的數值不穩定性。

頻域的諸多方法都是以系統傳遞函數的形式為基礎的，在處理高階傳遞函數模型時有很大的數值冒險性，會使數值不穩定。同樣，魯棒辨識的最小二乘法在數值計算中也存在類似的數值不穩定的缺點。因此，對于高階狀態空間形式的控制系統，降階多采用以狀態空間為基礎的方法。在降階過程中，關鍵考慮閉環，降階控制器要保證閉環穩定性和閉環性能損失最小。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種無人直升機自適應低階控制器。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種無人直升機自適應低階控制器，包括：

規劃與辨識器，包括規劃器和辨識器，所述規劃器用于監視被控系統的控制輸入和控制輸出，當被控系統的穩態控制輸出不滿足預設要求時，利用所述辨識器進行在線辨識并啟動結構濾波器、內模控制器和雙環滑模控制器進行控制器參數修正；

結構濾波器，用于對所述內模控制器的濾波環節進行修正控制；

內模控制器，用于對被控系統的內部模型和反饋修正進行預測控制；

雙環滑模控制器，用于對姿態角和姿態角速度進行跟蹤控制；

控制分量綜合模塊，用于對所述結構濾波器、內模控制器和雙環滑模控制器輸出的控制分量求和，得到被控系統的控制量。