基于預(yù)測控制的微型共軸無人直升機飛行控制研究.pdf

1、在眾多轉(zhuǎn)子配置的旋翼機型中，微型共軸無人直升機（Miniature Coaxial U-nmanned Helicopter，MCUH）因其緊湊的設(shè)計結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的前向飛行速度和較大的載荷尺寸比贏得了世界范圍內(nèi)的科研工作者的青睞。然而，MUCH是典型的不穩(wěn)定、強耦合和欠驅(qū)動的高階非線性系統(tǒng)，這一特性給它的飛行控制帶來很大的挑戰(zhàn)。因此，針對MCUH實現(xiàn)飛行控制的相關(guān)問題進行研究具有重大的科學(xué)意義。本論文采用理論分析和數(shù)值仿真結(jié)合的方式，圍繞

2、MCUH的飛行控制展開研究。主要工作和取得的成果簡要敘述如下：
　　為了充分了解MCUH物理特性和對其進行精確仿真，首先依據(jù)牛頓-歐拉剛體動力學(xué)方程，考慮直升機各機械部件在運動過程中產(chǎn)生的力和力矩，建立了結(jié)構(gòu)化的非線性模型?？紤]到目前建立的MCUH模型階次普遍較高，而這不利于控制器設(shè)計，論文首先對模型進行了簡化研究。簡化的模型充分反映低轉(zhuǎn)子動力學(xué)，并用一集中參數(shù)模型對上轉(zhuǎn)子和平衡桿進行等效。論文進一步對簡化模型的有效性進行時域驗證

3、，結(jié)果表明模型簡化前后響應(yīng)一致；與已有相關(guān)文獻中建立的模型相比，本論文的簡化模型階次降低，物理意義明顯。
　　第二部分針對MCUH系統(tǒng)，研究了直升機近懸停低速段穩(wěn)定飛行控制問題，提出了一種代數(shù)學(xué)方法來設(shè)計控制器。該方法通過配置期望的系統(tǒng)特征多項式來獲得閉環(huán)控制性能，進而設(shè)計簡單和魯棒的控制器。針對以往研究中存在系統(tǒng)特征多項式系數(shù)難于選取的問題，本論文給出了一種周期地選取系統(tǒng)特征多項式系數(shù)的原則，所設(shè)計的控制器能使系統(tǒng)獲得較好的暫態(tài)

4、響應(yīng)。利用現(xiàn)代控制MIMO反饋策略，將傳統(tǒng)的基于SISO控制系統(tǒng)的多項式設(shè)計方法拓展到MIMO系統(tǒng)控制器的設(shè)計中，擴大了該方法的應(yīng)用范圍。最后，通過對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行性能評估驗證了該方法的有效性。
　　在第三部分，針對直升機的穩(wěn)定飛行控制有約束的問題，從工程實現(xiàn)角度提出了一種基于非線性型預(yù)測控制（Nonlinear Model Predictive Control，NMPC）的控制綜合策略。利用導(dǎo)航和姿態(tài)回路動態(tài)特性的差異，將傳

5、統(tǒng)單一集成的NMPC導(dǎo)航控制回路分解成兩個子回路：NMPC導(dǎo)航回路和線性姿態(tài)控制內(nèi)回路。其中，NMPC以分段常值的方式工作在外回路，其目的是通過擴展預(yù)測域長度來增加可用的在線優(yōu)化時間并且減輕計算量。在內(nèi)回路，利用線性控制器來實現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)，同時以擾動的形式補償NMPC的低頻帶。與傳統(tǒng)NMPC控制策略相比，這種控制策略的計算量明顯減少。最后通過理論分析和數(shù)值仿真證實了該控制策略的穩(wěn)定性。
　　最后一大部分是針對 MCUH飛行控制的兩個

6、典型應(yīng)用（航跡跟蹤和航跡跟隨），分別在第五章和第六章提出各自對應(yīng)的基于優(yōu)化的控制方案。同樣考慮到約束的存在，在這兩個方案中都采用了MPC技術(shù)。
　　針對MCUH航跡跟蹤控制，提出了一種快速MPC設(shè)計方法。利用系統(tǒng)的微分平坦特性，得到了近似直升機非線性動力學(xué)的LTV模型，然后將傳統(tǒng)輸出航跡跟蹤NMPC問題轉(zhuǎn)化為LTV-MPC優(yōu)化問題，從而降低了問題的復(fù)雜度。論文進一步將傳統(tǒng)僅限于漸近定常航跡跟蹤問題拓展到時變航跡跟蹤問題。為確保航跡

7、跟蹤誤差系統(tǒng)的指數(shù)漸近穩(wěn)定，設(shè)計了反饋控制律和Lyapunov函數(shù)，并采用了依賴于系統(tǒng)狀態(tài)的終端罰值，以確保跟蹤誤差的收斂。最后通過數(shù)值仿真，并與本論文中的代數(shù)學(xué)方法和第三部分的NMPC方法進行對比，證實了這種方法的快速性和可行性。
　　論文針對MCUH航跡跟隨控制，設(shè)計了一種采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)時間NMPC控制器。與以往研究中將參考航跡描述成水平集不同，我們直接利用參數(shù)化的參考航跡，使用一種包含航跡誤差動力學(xué)和航跡參數(shù)動力學(xué)子系統(tǒng)的增

8、穩(wěn)系統(tǒng)來描述和分析航跡跟隨問題，該方案的優(yōu)勢就是對航跡的穩(wěn)定性進行直接處理。通過允許任意小的漸近跟隨誤差的存在，論文利用一非線性輔助控制律，并借助Lyapunov技術(shù)，將增穩(wěn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問題轉(zhuǎn)化成基于Lyapunov約束的NMPC問題；隨后從穩(wěn)定分析的角度，利用局部控制 Lyapunov函數(shù)設(shè)計了確保系統(tǒng)NMPC問題收斂和漸近穩(wěn)定的終端集和終端代價。由于每個采樣時刻NMPC問題的解為機體速度和角速度指令，不能直接作用于實際系統(tǒng)輸入端，