基于LPV的變增益控制在三自由度直升機上的應用.pdf

1、直升機系統(tǒng)不同于一般的飛行控制系統(tǒng)，它能夠做到定點懸停、低速飛行、垂直升降等一般飛行控制系統(tǒng)無法做到的事情。目前對于直升機的研究也比較全面，特別是在控制領域，前人已經研究了較多的控制方法，比較普遍的例如PID（Proportion Integral Derivative）控制，更為進階的有模糊PID控制、模糊神經控制、顯式模型預測控制。本文所要闡述的是一種基于LPV（Linear Parameter Varying）系統(tǒng)的增益調度控制方

2、法。
　　增益調度（Gain-Scheduling）控制其實是一種較為老牌的針對非線性系統(tǒng)的控制器設計方法，被廣泛應用于工程控制領域，尤其是對于高度非線性的飛行控制領域。傳統(tǒng)的增益調度控制思路簡單，主要是通過選取非線性系統(tǒng)的多個工作點，利用一些成熟的線性化方法設計多個控制器，在控制過程中根據用戶自定義的參數軌跡切換到相應的控制器上，從而達到全局控制的目的。亦或根據參數軌跡對局部控制器進行插值獲得全局控制器。但傳統(tǒng)的增益調度控制存在

3、很大的局限性，不僅無法從理論上證明被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且控制器設計步驟繁瑣，需要通過大量的計算與仿真才能得到期望的控制效果。
　　LPV系統(tǒng)作為一類重要的時變系統(tǒng)，它能夠通過外部可變參數來擬合飛行控制系統(tǒng)中的非線性與時變特性，達到更為精確的目的。同時，也能夠通過參數依賴型二次李雅普諾夫函數，驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了減少傳統(tǒng)增益調度控制在直升機系統(tǒng)應用中的局限性，本文提出了一種基于LPV系統(tǒng)的增益調度控制方法，并將其應用于三自由度直升機

4、上，檢驗其控制效果，對控制性能作出分析。本文所研究內容創(chuàng)新性凝練如下：三自由度直升機是一個高度非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制方法均采用線性控制器對其進行控制，本文則首次引入增益可變的控制器并將其應用于三自由度直升機，更加突出了它的非線性特性；本文首次提出了三自由度直升機的LPV模型，這有別于傳統(tǒng)的線性化模型。
　　本文的主要工作和成果如下：
　　（1）分別綜述了三自由度直升機的控制方法、傳統(tǒng)增益調度控制、LPV系統(tǒng)與基于LPV系統(tǒng)的增

5、益調度控制發(fā)展情況及研究現(xiàn)狀。同時也介紹了增益調度控制的工作原理、優(yōu)勢與局限性，引出了LPV系統(tǒng)概念以及本文為何要將LPV系統(tǒng)與增益調度控制相結合的原因。
　?。?）針對Quanser公司開發(fā)的三自由度直升機平臺，分析每個自由度方向上的運動方程，結合LPV系統(tǒng)的基礎概念，建立參數依賴型的線性模型，其中系統(tǒng)的非線性特性即由變化參數反映，并得到三自由度直升機系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示。將該數學模型轉化為計算機語言，為仿真與實際平臺的應用做準備

6、。
　　（3）在模型建立完成后，設計系統(tǒng)的反饋回路，根據系統(tǒng)結構與性能要求選擇權重函數，并通過實驗分析所選權重函數的不同對系統(tǒng)控制性能的影響。選定滿足要求的權重函數后，通過MATLAB的LMI工具箱，設計控制器。
　?。?）根據生成的控制器參數構建控制器模塊，并結合三自由度直升機的S-函數模型搭建Simulink模塊圖，給定不同的控制輸入，選取觀測參數進行實驗，驗證控制系統(tǒng)可行性，分析在不同的輸入條件下系統(tǒng)的響應性能。隨后分