欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的控制設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、質(zhì)量矩控制技術(shù)是近些年來提出的一種新型飛行器控制方式，它通過快速改變飛行器內(nèi)部可移動(dòng)質(zhì)量塊的位置來改變飛行器的質(zhì)心，從而產(chǎn)生控制力矩以達(dá)到飛行器快速姿態(tài)響應(yīng)和獲得所需過載的目的。而欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指控制輸入個(gè)數(shù)少于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的控制系統(tǒng)，它廣泛存在于機(jī)器人、航空航天和交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域，由于控制輸入的缺失使得欠驅(qū)動(dòng)控制問題成為控制領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)質(zhì)量矩飛行器內(nèi)部可移動(dòng)質(zhì)量塊的個(gè)數(shù)少于需要控制的姿態(tài)自由度個(gè)數(shù)時(shí)，該質(zhì)量矩飛行

2、器的姿態(tài)控制系統(tǒng)就是一種典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究其控制問題不但具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，而且有助于促進(jìn)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制理論的發(fā)展。
　　本文以欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能控度分析和控制設(shè)計(jì)作為理論研究基礎(chǔ)，對(duì)大氣層內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。
　　對(duì)于大氣層內(nèi)工作的質(zhì)量矩飛行器，考慮飛行器內(nèi)部空間的限制，提出一種姿態(tài)控制的欠驅(qū)動(dòng)配置方案，該方案采用兩個(gè)沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊。通過推導(dǎo)兩個(gè)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣

3、量矩陣和氣動(dòng)力矩的影響，并基于拉格朗日方法建立欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。為了降低特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜性，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能控度分析問題，提出將欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的恢復(fù)區(qū)域作為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能控度分析的度量指標(biāo)。一方面，考慮了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制輸入具有幅值限制的條件，通過研究欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的級(jí)數(shù)展開形式，提出欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間最優(yōu)能控度的分析方法。另一方面，

4、考慮了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制輸入具有能量限制的條件，通過求解欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量最優(yōu)控制問題，提出欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量最優(yōu)能控度的分析方法。
　　基于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間最優(yōu)能控度分析及其指標(biāo)，提出欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器特征參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。將質(zhì)量塊位置輸入有界情況下欠驅(qū)動(dòng)自由度方向上姿態(tài)角的恢復(fù)區(qū)域定義為欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的能控度指標(biāo)，并將該能控度指標(biāo)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立能控度指標(biāo)與特征參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系?；陟o穩(wěn)定性分析、質(zhì)量塊功率限制和滾

5、轉(zhuǎn)角與俯仰角機(jī)動(dòng)能力分析，提出欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足的約束條件。在此基礎(chǔ)上，提出欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟。仿真驗(yàn)證特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　基于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無源化控制設(shè)計(jì)思想，提出欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的姿態(tài)控制設(shè)計(jì)方法。通過研究欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無源化控制方法，設(shè)計(jì)得到在平衡點(diǎn)處的漸近穩(wěn)定控制規(guī)律。為了保證欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋控制規(guī)律的存在性，給出了選擇Lyapunov函數(shù)時(shí)需要滿足的匹配

6、條件。由于該匹配條件是難于求解的非線性偏微分方程，進(jìn)一步研究了匹配條件的簡(jiǎn)化和求解方法?；跓o源化控制提出欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器姿態(tài)控制設(shè)計(jì)方法，為了滿足求解匹配條件解析解過程中的假設(shè)條件，對(duì)姿態(tài)控制模型進(jìn)行部分反饋線性化處理，并基于求解匹配條件得到姿態(tài)系統(tǒng)的無源化控制規(guī)律。仿真驗(yàn)證姿態(tài)控制設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　將特征參數(shù)優(yōu)化方法和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到大氣層內(nèi)某型欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的姿態(tài)控制設(shè)計(jì)中。通過分析欠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量矩飛行器的機(jī)動(dòng)