[發明專利]一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器

在審

• 申請號: 201910017814.9
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109507890A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 羅世彬;吳瑕;廖宇新
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立無人機姿態回路和速度回路的數學模型；

步驟2：采用動態逆方法對無人機的數學模型進行線性化處理；

步驟3：設計線性擴張狀態觀測器對姿態回路和速度回路的總擾動進行估計；

步驟4：設計基于CARMA模型的廣義預測控制器對線性化后的姿態回路和速度回路施加控制作用。

2.根據權利要求1所述的一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器，其特征在于，所述步驟1中，以姿態回路為例，來給出基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器的設計思路，速度回路數學模型的處理思路和姿態回路類似。假設無人機姿態回路的數學模型可以寫成如下形式：

其中：U＝[u₁ u₂ u₃]是姿態回路的控制輸入，X＝[x₁ x₂ x₃]是姿態回路的輸出，F₁(X)是非線性函數，假設F₁(X)＝[f₁(X) f₂(X) f₃(X)]是已知的，G₁為控制器的增益，Δ是未知的擾動，包括系統所有內部外部不確定性；

在動態逆算法的思想中，對于多輸入多輸出系統，G₁應該是可逆的，如果G₁不可逆，可以用一個可逆矩陣G₁₀來對G₁進行估計，則原來的被控對象可寫成如下形式：

將(G₁-G₁₀)U歸結到未知擾動Δ中，則被控對象可寫成如下形式：

其中：Δ_s＝Δ+(G₁-G₀)U。

3.根據權利要求2所述的一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器，其特征在于，步驟2中，基于動態逆的思想對被控對象的數學模型進行線性化處理，

引入虛擬控制輸入U₀＝[u₁₀ u₂₀ u₃₀]，在沒有未知擾動Δ_s時，根據動態逆算法的思想，可設計如下形式的控制律：

將所設計的控制律代入沒有未知擾動Δ_s的被控對象中，將原來的被控對象簡化成一個分器的形式：

可以發現，引入動態逆思想對被控對象進行簡化后，原來的多輸入多輸出的被控對象可以實現解耦，且每個解耦后的子系統都被簡化成積分器的形式，可以更容易設計控制器對簡化后的系統施加控制作用，以獲得滿意的性能。

4.根據權利要求3所述的一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器，其特征在于，Δ_s是未知的，需要設計線性擴張狀態觀測器對其進行估計，則所述線性擴張狀態觀測器的表達式為：

其中：Z₁用來估計X，Z₂用來估計總擾動Δ_s；

如果擴張狀態觀測器估計準確，則Z₂可以很好的跟蹤未知擾動Δ_s，則根據動態逆算法的思想，在有未知擾動Δ_s時，可設計如下形式的控制律：。

5.根據權利要求1所述的一種基于ESO的無人機動態逆廣義預測控制器，其特征在于，步驟4中，可對各個線性化后的子系統獨立地設計基于CARMA模型的廣義預測控制律作為虛擬控制輸入u_i0(i＝1,2,3)來進行控制，表達式為：

U＝(G^TG+λI)^-1G^T[W-Fy(k)-Hu(k-1)]

其中：F，G，H是廣義預測控制器丟番圖方程的解，W是期望輸入的柔化序列，y(k)是系統的輸出，u(k)是系統的輸入，取U的第一個元素作為被控對象的虛擬控制輸入u_i0(i＝1,2,3)。