CN102929139B - 飞行器多区间模型的控制器设计方法 - Google Patents
飞行器多区间模型的控制器设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102929139B CN102929139B CN201210381262.8A CN201210381262A CN102929139B CN 102929139 B CN102929139 B CN 102929139B CN 201210381262 A CN201210381262 A CN 201210381262A CN 102929139 B CN102929139 B CN 102929139B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- centerdot
- delta
- interval
- omega
- sigma
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种飞行器多区间模型的控制器设计方法,用于解决现有的鲁棒控制理论缺乏设计步骤难以直接设计飞行控制器的技术问题。技术方案是给出多个区间系统鲁棒稳定可解条件,直接利用线性系统状态反馈的闭环期望极点选择,并根据所有闭环期望极点的实部全部为负数的特点,给出了限定条件不等式直接设计反馈矩阵。使得本研究领域的工程技术人员对风洞或飞行试验得到的飞行器多区间系统模型直接设计飞行控制器,解决了当前研究只给出鲁棒稳定性不等式而无法直接设计飞行控制器的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制器设计方法,特别是涉及一种飞行器多区间模型的控制器设计方法。
背景技术
飞机鲁棒控制是目前国际航空界研究的重点课题之一,在高性能飞机控制器设计时,必须考虑鲁棒稳定性和鲁棒控制问题;实际飞行器模型是很复杂的未知模型结构的非线性微分方程式,为了描述这种复杂的非线性,人们通常采用风洞和飞行试验得到按离散数据描述的试验模型;为了减少风险并降低试验成本,通常按照不同高度、马赫数进行飞行机动试验,这样,描述飞行器试验模型的离散数据并不是很多,这种模型对静稳定性较好的飞行器很实用。然而,现代和未来的战斗机为了提高“机敏性”都放宽了对静态稳定性的限制,战斗机通常要求在开环临界稳定点附近工作;这样就要求飞行控制系统能良好地处理模型不确定性问题;在实际飞行控制系统设计中要考虑以下几个主要问题:(1)将试验得到离散数据用某一逼近模型来描述,模型中存在未建模动态;(2)风洞试验不能进行全尺寸模型自由飞、存在约束,飞行试验离散点选择、初始飞行状态、机动飞行的输入动作选择等不可能将所有的非线性充分激励,采用系统辨识所得模型存在各种各样的误差;(3)飞行环境与试验环境有区别,流场变化和干扰等使得实际气动力、力矩模型与试验模型有区别;(4)执行部件与控制元件存在制造容差,系统运行过程中也存在老化、磨损等现象,与飞行试验的结果不相同;(5)在实际工程问题中,需要控制器比较简单、可靠,通常需要对数学模型人为地进行简化,去掉一些复杂的因素;因此,在研究现代飞机的控制问题时,就必须考虑鲁棒性问题。
1980年后,国际上开展了多种不确定系统的控制理论研究,特别是由加拿大学者Zames提出的H-infinit理论,Zames认为,基于状态空间模型的LQG方法之所以鲁棒性不好,主要是因为用白噪声模型表示不确定的干扰是不现实的;因此,在假定干扰属于某一已知信号集的情况下,Zames提出用其相应灵敏度函数的范数作为指标,设计目标是在可能发生的最坏干扰下使系统的误差在这种范数意义下达到极小,从而将干扰抑制问题转化为求解使闭环系统稳定;从此,国内外很多学者展开了H-infinit控制方法研究;在实际系统建模时,虽然得不到系统准确的数学模型,但很多情况下可以估计出模型误差的上、下界,飞行器在给定区域飞行时,按照分段线性描述模型,对于这一类不确定系统,通常大都按照多个区间系统进行研究,在航空界,该方法一直处于探索阶段,美国NASA,德国宇航研究院、荷兰等国都对鲁棒控制方法进行了研究,取得了很多仿真和实验结果;国内的航空院校也对飞机鲁棒控制方法进行了一系列的研究,如文献(史忠科、吴方向等,《鲁棒控制理论》,国防工业出版社,2003年1月;苏宏业.《鲁棒控制基础理论》,科学出版社,2010年10月)介绍,但这些结果与实际应用的距离还相差甚大,难以直接对实际飞行控制器进行设计并应用;特别是很多研究仅仅根据李雅普诺夫定理给出了鲁棒稳定性条件,不能得到具体实现区间系统鲁棒控制器设计步骤,没有解决直接设计鲁棒飞行控制器的技术问题。
发明内容
为了克服现有鲁棒控制理论缺乏设计步骤难以直接设计飞行控制器的技术不足,本发明提供一种飞行器多区间模型的控制器设计方法;该方法提供了实际多区间系统鲁棒稳定控制器的逼近设计条件,直接利用线性系统状态反馈的闭环期望极点选择,并根据所有闭环期望极点的实部全部为负数的特点,给出了限定条件不等式直接设计反馈矩阵,可以对风洞或飞行试验得到的飞行器多区间系统模型直接设计飞行控制器,解决了当前研究只给出鲁棒稳定性不等式而无法直接设计飞行控制器的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种飞行器多区间模型的控制器设计方法,其特点是包括以下步骤:
步骤一、当系统参数在较大范围内变化时,如飞行器分段线性模型,用一个区间系统描述无法求解,为此,在某飞行区域通过风洞或飞行试验得到含有不确定性的飞行器模型按照以下多个区间模型描述:
式中,xi∈Rn,ui∈Rm分别为状态和输入向量,Ai∈N(Ri,Qi)或
N(Ri,Qi)={Ai∈Rn×n|rj,k≤ajk≤qjk (j,k=1,2,…,n)},
Ai={ajk}n×n,Ri={rjk}n×n,Qi={qjk}n×n,rj,k≤ajk≤qjk (j,k=1,2,…,n);
Bi∈N(Hi,Si)或N(Hi,Si)={Bi∈Rn×m|hjk≤bjk≤sjk (j=1,2,…,n;k=1,2,…,m)},
Bi={bjk}n×m,Hi={hjk}n×m,Si={sjk}n×m,hjk≤bjk≤sjk (j=1,2,…,n;k=1,2,…,m);
Ai,Bi,Ri,Qi,Hi,Si为已知的系数矩阵;
选择飞行控制器为:ui=-Kixi
式中,Ki为反馈矩阵;
带入(1)式中,有:
式中, wki为Wi的第k行向量,
(A0i±ΔAi)∈N(Ri,Qi)可以表示Ai∈N(Ri,Qi)的任意值;
步骤二、选取(A0i-B0iKi)的特征值各不相同且实部为负,设计反馈矩阵Ki使得满足条件:
该控制器使得 或 鲁棒稳定;
式中,Mi为线性变换矩阵,
σki,ωki(k=1,2,…,n)为实数,jωki(k=1,2,…,n)表示虚数,diag为对角矩阵符号,
本发明的有益效果是:通过本发明提供的多个区间系统鲁棒稳定可解条件,直接利用线性系统状态反馈的闭环期望极点选择,并根据所有闭环期望极点的实部全部为负数的特点,给出了限定条件不等式直接设计反馈矩阵,使得本研究领域的工程技术人员对风洞或飞行试验得到的飞行器多区间系统模型直接设计飞行控制器,解决了当前研究只给出鲁棒稳定性不等式而无法直接设计飞行控制器的技术问题。
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
具体实施方式
本发明飞行器多区间模型的控制器设计方法具体步骤如下:
1、当系统参数在较大范围内变化时,如飞行器分段线性模型,用一个区间系统描述无法求解,为此,在某飞行区域通过风洞或飞行试验得到含有不确定性的飞行器模型按照以下多个区间模型描述:
式中,xi∈Rn,ui∈Rm分别为状态和输入向量,Ai∈N(Ri,Qi)或
N(Ri,Qi)={Ai∈Rn×n|rj,k≤ajk≤qjk (j,k=1,2,…,n)},
Ai={ajk}n×n,Ri={rjk}n×n,Qi={qjk}n×n,rj,k≤ajk≤qjk (j,k=1,2,…,n);
Bi∈N(Hi,Si)或N(Hi,Si)={Bi∈Rn×m|hjk≤bjk≤sjk (j=1,2,…,n;k=1,2,…,m)},
Bi={bjk}n×m,Hi={hjk}n×m,Si={sjk}n×m,hjk≤bjk≤sjk (j=1,2,…,n;k=1,2,…,m);
Ai,Bi,Ri,Qi,Hi,Si为已知的系数矩阵;
选择飞行控制器为:ui=-Kixi
式中,Ki为反馈矩阵;
带入(1)式中,有:
式中, wki为Wi的第k行向量, {Λki=diag(λk,j,i),0≤λk,j,i≤1;k,j=1,2,…,n},
(A0i±ΔAi)∈N(Ri,Qi)可以表示Ai∈N(Ri,Qi)的任意值;
(B0i±ΔBi)∈N(Hi,Si)可以表示Bi∈N(Hi,Si)的任意值;
2、选取(A0i-B0iKi)的特征值各不相同且实部为负,设计反馈矩阵Ki使得满足条件:
该控制器使得 或 鲁棒稳定;
式中,Mi为线性变换矩阵,
σki,ωki(k=1,2,…,n)为实数,jωki(k=1,2,…,n)表示虚数,diag为对角矩阵符号,
取飞行器纵向运动状态变量为输入变量为u=δe,其中q为俯仰角速度,α为气流迎角,为俯仰角,δe为升降舵偏角;当高度区间为[0,5000];马赫数范围为区间[0.3,0.8]时,
选取 可得:
无法设计一个鲁棒控制器,按照马赫数分为两个区间,马赫数范围分别为[0.3,0.6]、[0.6,0.8]两个区间,高度区间为[0,5000];当高度区间为[0,5000];马赫数范围为区间[0.3,0.6]时,
选择 可得
马赫数范围为[0.3,0.6]、高度区间为[0,5000]时,区间控制器为:
K1=[-3.5 -2 -10];
当高度区间为[0,5000];马赫数范围为区间[0.6,0.8]时,
选择 可得
马赫数范围为[0.6,0.8]、高度区间为[0,5000]时,区间控制器为:
K2=[-3.5 -2 -10]。
Claims (1)
1.一种飞行器多区间模型的控制器设计方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、当系统参数在较大范围内变化时,飞行器分段线性模型用一个区间系统描述无法求解,为此,在某飞行区域通过风洞或飞行试验得到含有不确定性的飞行器模型按照以下多个区间模型描述:
式中,xi∈Rn,ui∈Rm分别为状态和输入向量,Ai∈N(Ri,Qi)或
N(Ri,Qi)=Ai∈Rn×n|rj,k≤ajk≤qjk j,k=1,2,…,n,
Ai={ajk}n×n,Ri={rjk}n×n,Qi={qjk}n×n,rj,k≤ajk≤qjk j,k=1,2,…,n;
Bi∈N(Hi,Si)或N(Hi,Si)=Bi∈Rn×m|hjk≤bjk≤sjk j=1,2,…,n;k=1,2,…,m,
Bi={bjk}n×m,Hi={hjk}n×m,Si={sjk}n×m,hjk≤bjk≤sjk j=1,2,…,n;k=1,2,…,m;
Ai,Bi,Ri,Qi,Hi,Si为已知的系数矩阵;
选择飞行控制器为:ui=-Kixi
式中,Ki为反馈矩阵;
带入(1)式中,有:
式中, wki为Wi的第k行向量,
(A0i±ΔAi)∈N(Ri,Qi)表示Ai∈N(Ri,Qi)的任意值;
(B0i±ΔBi)∈N(Hi,Si)表示Bi∈N(Hi,Si)的任意值;
步骤二、选取(A0i-B0iKi)的特征值各不相同且实部为负,设计反馈矩阵Ki使得满足条件:
该控制器使得 或 鲁棒稳定;
式中,Mi为线性变换矩阵,
σki,ωki,k=1,2,…,n为实数,jωki,k=1,2,…,n表示虚数,diag为对角矩阵符号,
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210381262.8A CN102929139B (zh) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 飞行器多区间模型的控制器设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210381262.8A CN102929139B (zh) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 飞行器多区间模型的控制器设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102929139A CN102929139A (zh) | 2013-02-13 |
CN102929139B true CN102929139B (zh) | 2015-03-25 |
Family
ID=47643968
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201210381262.8A Expired - Fee Related CN102929139B (zh) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 飞行器多区间模型的控制器设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102929139B (zh) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103809453B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-06-29 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 纵向飞行模型簇人机闭环复合根轨迹补偿鲁棒控制器设计方法 |
CN103809452B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-03-23 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 纵向飞行模型簇颤振抑制复合根轨迹多级pid鲁棒控制器设计方法 |
CN103809447B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-03-02 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 飞行器多回路模型簇复合频率控制器设计方法 |
CN103809449B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-03-23 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 飞行器多回路模型簇颤振抑制复合pid鲁棒控制器设计方法 |
CN103809450B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-04-27 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 多回路飞行器模型簇颤振抑制复合根轨迹多级pid鲁棒控制器设计方法 |
CN103809451B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-03-23 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 飞行器多回路模型簇复合根轨迹多级pid控制器设计方法 |
CN103809445B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-05-25 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 飞行器多回路模型簇复合pid控制器设计方法 |
CN103792848B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-03-30 | 西安费斯达自动化工程有限公司 | 纵向飞行模型簇人机闭环复合根轨迹多级pid鲁棒控制器设计方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5396415A (en) * | 1992-01-31 | 1995-03-07 | Honeywell Inc. | Neruo-pid controller |
US5424942A (en) * | 1993-08-10 | 1995-06-13 | Orbital Research Inc. | Extended horizon adaptive block predictive controller with an efficient prediction system |
CN101571704A (zh) * | 2009-06-18 | 2009-11-04 | 北京航空航天大学 | 一种复合分层抗干扰控制器 |
CN101937233A (zh) * | 2010-08-10 | 2011-01-05 | 南京航空航天大学 | 近空间高超声速飞行器非线性自适应控制方法 |
-
2012
- 2012-10-10 CN CN201210381262.8A patent/CN102929139B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5396415A (en) * | 1992-01-31 | 1995-03-07 | Honeywell Inc. | Neruo-pid controller |
US5424942A (en) * | 1993-08-10 | 1995-06-13 | Orbital Research Inc. | Extended horizon adaptive block predictive controller with an efficient prediction system |
CN101571704A (zh) * | 2009-06-18 | 2009-11-04 | 北京航空航天大学 | 一种复合分层抗干扰控制器 |
CN101937233A (zh) * | 2010-08-10 | 2011-01-05 | 南京航空航天大学 | 近空间高超声速飞行器非线性自适应控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
基于多模型方法的全包络鲁棒飞行控制器设计;陈谋等;《航空学报》;20060531;第27卷(第3期);全文 * |
飞行器模型簇描述及鲁棒控制器设计;史忠科;《控制与决策》;20040831;第19卷(第8期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102929139A (zh) | 2013-02-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102929139B (zh) | 飞行器多区间模型的控制器设计方法 | |
CN102929142B (zh) | 飞行器不确定时变模型的控制器设计方法 | |
CN102929138B (zh) | 含有非线性的飞行器控制器设计方法 | |
CN102929141B (zh) | 飞行器时间滞后时变模型逼近及控制器设计方法 | |
CN102929140B (zh) | 飞行器时间滞后模型逼近及控制器设计方法 | |
CN102929134A (zh) | 飞行器多个时间滞后模型的控制器设计方法 | |
CN102929130B (zh) | 一种鲁棒飞行控制器设计方法 | |
Marcos et al. | An application of H∞ fault detection and isolation to a transport aircraft | |
CN102929144B (zh) | 飞行器区间模型的控制器设计方法 | |
CN102929128B (zh) | 飞行器不确定模型的控制器设计方法 | |
CN103838145A (zh) | 基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法 | |
CN103412488A (zh) | 一种基于自适应神经网络的小型无人旋翼机高精度控制方法 | |
CN103592847A (zh) | 一种基于高增益观测器的高超声速飞行器非线性控制方法 | |
CN105242683A (zh) | 一种飞艇神经网络终端滑模航迹控制方法 | |
CN102929143B (zh) | 飞行器时间滞后模型的控制器设计方法 | |
CN102929129B (zh) | 飞行器多个时间滞后时变模型的控制器设计方法 | |
CN102929135B (zh) | 飞行器时间滞后时变模型的控制器设计方法 | |
CN102929136B (zh) | 飞行器多个时间滞后模型逼近及控制器设计方法 | |
CN102929145B (zh) | 飞行器多个时间滞后时变模型逼近及控制器设计方法 | |
Lv et al. | Extended-Kalman-filter-based equilibrium manifold expansion observer for ramjet nonlinear control | |
CN102929137B (zh) | 含有分布参数项的飞行器控制器设计方法 | |
Zhang et al. | Longitudinal attitude controller design for aircraft landing with disturbance using ADRC/LQR | |
CN103777523B (zh) | 飞行器多回路模型簇复合pid鲁棒控制器设计方法 | |
Stanney et al. | Response of a tethered aerostat to simulated turbulence | |
CN103809449B (zh) | 飞行器多回路模型簇颤振抑制复合pid鲁棒控制器设计方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150325 Termination date: 20211010 |