CN107728468B - 一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法 - Google Patents

一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，包括如下步骤：1)得出悬挂负载直升机简化数学模型的动力学方程，并采集相关参数；2)根据步骤1)中的动力学方程，结合零化动力学和梯度动力学方法，得出全镇定连续控制器，实现悬挂负载直升机位移与负载摆动角的同时镇定控制；3)根据步骤2)中全镇定连续控制器，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量。本发明提供了一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，实现了对悬挂负载直升机位移和负载摆动角的同时镇定控制。

Description

一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法
技术领域
本发明涉及悬挂负载直升机控制领域，更具体涉及一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法。
背景技术
悬挂负载直升机飞行时悬挂物会对直升机的飞行造成较大影响，其飞行运动模式、稳定性和操作性均发生了改变。到达目的地后直升机停止时，悬挂的负载极有可能因为惯性发生类似单摆的运动，造成货物损坏甚至对地面人员安全造成威胁。由此可见，在直升机悬停时对负载的零振荡控制十分必要，这就要求我们同时对悬挂负载直升机位移和负载摆动角进行控制，这样做将会大幅度提高直升机运输效率，缓解驾驶员驾驶压力，保证直升机的安全运输。因此，实现悬挂负载直升机全镇定控制具有非常重要的应用价值，在国防建设等诸多领域具有重要的应用前景。
以前的研究可能只涉及到对悬挂负载直升机位移或者是负载摆动角单独控制的情况，该情况可能导致飞机虽然停下来了，但负载还在发生摆动，或者是负载停下来了，但飞机速度还未减小到零(也即，位移不是常数)，这样就无法实现全镇定控制，从而增加了货物损坏的风险，甚至造成对地面人员的伤害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术与方法的不足，提供一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，其中采用全镇定连续控制器，实现悬挂负载直升机位移与负载摆动角的同时镇定控制，并采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量。
为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：
一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，包括如下步骤：
S1.得出悬挂负载直升机简化数学模型的动力学方程，并采集相关参数；
S2.根据步骤S1中的动力学方程，结合零化动力学和梯度动力学方法，得出全镇定连续控制器，实现悬挂负载直升机位移与负载摆动角的同时镇定控制；
S3.由于计算机只能处理数字量，根据步骤S2中得出的全镇定连续控制器，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量，从而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角。
步骤S1得出悬挂负载直升机简化数学模型，将负载视为质点，建立其动力学方程为：
Figure GDA0002535369860000021
其中，x为直升机位移，v为直升机速度，
Figure GDA0002535369860000022
为直升机加速度，θ为负载摆动角，ω为负载摆动角速度，
Figure GDA0002535369860000023
为负载摆动角加速度，fh为直升机水平驱动力，上述变量中均省略了作为自变量的时间变量t。采集悬挂负载直升机相关参数用于建模
Figure GDA0002535369860000024
和
Figure GDA0002535369860000025
直升机质量M，负载质量m，绳索长度l。
本发明首先结合零化动力学和梯度动力学方法，得出的控制器和它的控制参变量之间建立了耦合关系，使得悬挂负载直升机位移和负载摆动角之间存在一定内在关联，从而实现了悬挂负载直升机位移和负载摆动角的同时镇定控制。由于计算机只能处理数字量，因此，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量，从而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角。
步骤S2中得出全镇定连续控制器：
Figure GDA0002535369860000026
其中，λ为控制参变量，通过采用梯度动力学方法，得出如下表达式：
Figure GDA0002535369860000027
将控制参变量λ的表达式代入全镇定连续控制器
Figure GDA0002535369860000028
中，控制悬挂负载直升机速度最终为零以及负载摆动角最终也为零，即实现悬挂负载直升机位移和负载摆动角的同时镇定控制。
步骤S3中采用新型离散公式，其表达式为：
Figure GDA0002535369860000029
其中，τ为计算机数字控制的采样间隔，c1，c2，c3，…cn+1为常系数。上述的新型离散公式获得了如下的用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量：
Figure GDA0002535369860000031
相应地，采用新型离散公式，也得到x(tk+1)，v(tk+1)，θ(tk+1)，ω(tk+1)。根据步骤S2中的全镇定连续控制器：
Figure GDA0002535369860000032
其中，λ为控制参变量，通过采用梯度动力学方法，得出如下表达式：
Figure GDA0002535369860000033
采用新型离散公式，进而得到计算机数字控制的控制输入量fh(tk+1)和控制参变量λ(tk+1)的具体表达式，将控制参变量λ(tk+1)代入计算机数字控制的控制输入量fh(tk+1)中，控制悬挂负载直升机速度v(tk+1)最终为零[也即，悬挂负载直升机位移x(tk+1)为常数]以及负载摆动角θ(tk+1)最终也为零。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明不仅能够实现对悬挂负载直升机位移的新型离散镇定控制，也能同时实现对负载摆动角的新型离散镇定控制，即实现悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为悬挂负载直升机简化模型的示意图；
图3为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时v(tk+1)的曲线图；
图4为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时fh(tk+1)的曲线图；
图5为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时x(tk+1)的曲线图；
图6为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时θ(tk+1)的曲线图；
图7为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时ω(tk+1)的曲线图；
图8为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时|eθ(tk+1)|的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法做进一步说明。
如图1，一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，包括如下步骤：
S1.得出悬挂负载直升机简化数学模型的动力学方程，并采集相关参数；
S2.根据步骤S1中的动力学方程，结合零化动力学和梯度动力学方法，得出全镇定连续控制器，实现悬挂负载直升机位移与负载摆动角的同时镇定控制；
S3.由于计算机只能处理数字量，根据步骤S2中得出的全镇定连续控制器，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量，从而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角。
图2为悬挂负载直升机的简化模型。将负载视为质点，建立其动力学方程：
Figure GDA0002535369860000041
根据上述动力学方程，结合零化动力学和梯度动力学方法，得出全镇定连续控制器：
Figure GDA0002535369860000042
其中，λ为控制参变量，通过采用梯度动力学方法，得出如下表达式：
Figure GDA0002535369860000043
由于计算机只能处理数字量，根据上述的全镇定连续控制器，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量，从而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角：
Figure GDA0002535369860000044
为了便于理解与应用，本例以一个具体的新型离散公式为例,来具体实施进行计算机仿真。令
Figure GDA0002535369860000045
其余为0，则新型离散公式写为：
Figure GDA0002535369860000046
计算机数字控制的控制输入量和控制参变量进而写为
Figure GDA0002535369860000051
进行计算机仿真时，采集相关参数如下：m＝0.2kg，M＝1kg，l＝1.2m。另外，计算机数字控制的采样间隔设定为0.01s,执行时间设定为100s。图3、图4、图5、图6、图7和图8分别对应为本发明方法处理悬挂负载直升机新型离散全镇定控制时v(tk+1)、fh(tk+1)、x(tk+1)、θ(tk+1)、ω(tk+1)和|eθ(tk+1)|的曲线图，从这些仿真图中看出，悬挂负载直升机速度、负载摆动角、负载摆动角速度以及负载摆动角的绝对值误差最终都为零，悬挂负载直升机位移最终为一个常数，即，实现了全镇定控制。而且我们能清晰地看到，在大概第5000次采样，即执行时间为50s时，这些状态变量和负载摆动角的绝对值误差基本都收敛到零，说明本发明方法确实有效地实现对悬挂负载直升机新型离散全镇定控制。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所做出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、得出悬挂负载直升机简化数学模型的动力学方程，并采集相关参数；将负载视为质点，所述动力学方程表达式为：
Figure FDA0002666908230000011
其中，x为直升机位移，v为直升机速度，
Figure FDA0002666908230000012
为直升机加速度，θ为负载摆动角，ω为负载摆动角速度，
Figure FDA0002666908230000013
为负载摆动角加速度，fh为直升机水平驱动力，上述变量中均省略了作为自变量的时间变量t；采集悬挂负载直升机相关参数用于建模
Figure FDA0002666908230000014
和
Figure FDA0002666908230000015
直升机质量M，负载质量m，绳索长度l；
S2、根据步骤S1中的动力学方程，结合零化动力学和梯度动力学方法，得出全镇定连续控制器，实现悬挂负载直升机位移与负载摆动角的同时镇定控制；所述全镇定连续控制器为：
Figure FDA0002666908230000016
其中，λ为控制参变量，通过采用梯度动力学方法，得出如下表达式：
Figure FDA0002666908230000017
ψh和ψλ均代表映射函数符号；将控制参变量λ的表达式代入全镇定连续控制器
Figure FDA0002666908230000018
中，控制悬挂负载直升机速度最终为零以及负载摆动角最终也为零，即实现悬挂负载直升机位移和负载摆动角的同时镇定控制；
S3、由于计算机只能处理数字量，根据步骤S2中得出的全镇定连续控制器，采用新型离散公式获得用于计算机数字控制的控制输入量和控制参变量，从而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角；所述新型离散公式，其表达式为：
Figure FDA0002666908230000019
其中，τ为计算机数字控制的采样间隔，c1，c2，c3，···cn+1为常系数。
2.根据权利要求1所述的一种应用于悬挂负载直升机的新型离散全镇定控制方法，其特征在于，采用步骤S3中所述的新型离散公式获得了如下的用于计算机数字控制的控制输入量fh(tk+1)和控制参变量λ(tk+1)，进而实现计算机同时控制悬挂负载直升机位移与负载摆动角：
Figure FDA0002666908230000021
相应地，采用所述新型离散公式，也得到x(tk+1)，v(tk+1)，θ(tk+1)，ω(tk+1)；将控制参变量λ(tk+1)代入计算机数字控制的控制输入量fh(tk+1)中，控制悬挂负载直升机速度v(tk+1)最终为零以及负载摆动角θ(tk+1)最终也为零。
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