自主飛艇的建模與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、自主飛艇因其在監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸、通訊、勘探等方面和其它工具相比具有特殊的優(yōu)越性,近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。本文在飛艇的建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面做了以下工作:
　　 在建立數(shù)學(xué)模型方面,已有文獻(xiàn)中有關(guān)飛艇的動(dòng)力學(xué)模型大體分為兩種描述形式。本文建立了飛艇裝備矢量發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的第一種動(dòng)力學(xué)模型；又基于飛艇和潛艇的相似性,從能量的角度利用準(zhǔn)拉格朗日方程(quasi-Lagrangian Equation)建立了飛艇的第二種動(dòng)力學(xué)方程。建立

2、模型后,本文又分析了兩種模型描述的聯(lián)系。因飛艇的第二種動(dòng)力學(xué)模型描述形式充分展示了其幾何結(jié)構(gòu)特性,各個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)于飛艇均有明確的物理意義,便于使用現(xiàn)代控制理論對(duì)其進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以本文采用飛艇的第二種數(shù)學(xué)模型描述形式。
　　 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,本文首先研究了自主飛艇的非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于飛艇執(zhí)行的任務(wù)需要其主要在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),即平面運(yùn)動(dòng)是其主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài),本文研究了飛艇平面運(yùn)動(dòng)的非線性控制器設(shè)計(jì)問題。為把飛艇平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定

3、問題和軌跡跟蹤問題納入一個(gè)統(tǒng)一的框架,本文提出了一組新的誤差定義,包括飛艇平面運(yùn)動(dòng)的位置姿態(tài)誤差和速度誤差。然后根據(jù)誤差定義建立起飛艇平面運(yùn)動(dòng)的誤差系統(tǒng)模型。利用Lyapunov穩(wěn)定性方法和Matrosov定理設(shè)計(jì)了非線性控制器以鎮(zhèn)定此誤差系統(tǒng),統(tǒng)一地解決了飛艇平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題和軌跡跟蹤問題。
　　 為保證在具有參數(shù)不確定性和外部干擾的情況下,控制系統(tǒng)仍具有較好效果,本文在設(shè)計(jì)非線性狀態(tài)反饋控制器的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步為上述誤差

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)了非線性狀態(tài)反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器,使控制器參數(shù)隨飛艇的物理參數(shù)變化而具有自適應(yīng)能力。
　　 雖然非線性控制器可以同時(shí)解決飛艇的系統(tǒng)鎮(zhèn)定和軌跡跟蹤問題,且有深刻的理論意義,但進(jìn)一步擴(kuò)展到飛艇的空間運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)難度較大。而且非線性控制器有多個(gè)控制參數(shù),不利于其工程應(yīng)用。為此,本文進(jìn)一步從簡(jiǎn)化控制器的角度出發(fā),以期降低其設(shè)計(jì)復(fù)雜度,便于工程應(yīng)用。為使線性控制器能在大范圍內(nèi)有效,本文考慮把飛艇平面運(yùn)動(dòng)的非線性模型等效為

5、一個(gè)凸多面體系統(tǒng),設(shè)計(jì)了滿足凸多面體每個(gè)頂點(diǎn)的H∞魯棒反饋控制器,并把歸結(jié)的算法推廣到飛艇的空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
　　 上述設(shè)計(jì)的H∞魯棒控制器雖然具有穩(wěn)定性保證,且有較好的控制效果,但沒有考慮實(shí)際系統(tǒng)的約束。由于預(yù)測(cè)控制算法可以在線處理各種約束,所以本文基于預(yù)測(cè)控制原理設(shè)計(jì)了飛艇平面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),并擴(kuò)展到飛艇的空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。為了保證控制的實(shí)時(shí)性,預(yù)測(cè)控制用于設(shè)計(jì)名義系統(tǒng)的最優(yōu)軌跡,而H∞魯棒控制器的反饋控制律則用于實(shí)施控制,使系統(tǒng)