一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法技术

本发明专利技术提出一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法，根据无人直升机飞行控制系统的内外回路设计概念，利用H∞回路方法设计了无人直升机双回路控制系统。首先采用H∞回路成形方法设计姿态命令/姿态保持控制器，使得系统内回路具有良好的带宽和相应时间，并且保持通道的解耦和鲁棒性；采用H∞回路成形的方法构建无人直升机的速度回路作为外回路，实现对直升机的前飞速度和横向速度的控制，保证速度通道上具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。内回路和外回路控制器的设计使基于H∞回路成形控制技术的，内回路提供稳定与解耦，外回路在内回路的基础上，进行速度和轨迹控制。本发明专利技术将经典控制与现代鲁棒优化控制综合在一个框架下，使直升机在全包线机动飞行范围内具有优良的对输入信号进行动态跟踪及各通道解耦性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法
本专利技术涉及无人机控制领域，具体的说是一种无人直升机H∞回路成形全包线飞行控制方法。
技术介绍
无人直升机系统具有高阶非线性、静不稳定性及轴间高度耦合等特点，需要飞行控制系统的辅助以完成对其的操作，现代无人机要求高机动、大迎角、全包线飞行，而且还要求在复杂的环境中保证稳定性和良好的飞行性能。无论是经典控制理论还是现代控制理论，都难以在实际应用中获得理想的控制效果，在目前的无人机内外回路设计方法中，内回路提供稳定和解耦，外回路则注重控制效果，现有的解耦方法很多，但是大都需要精确模型，从而导致系统复杂度大大提高。H∞控制能有效地解决不确定性问题，传统的H∞控制方法受被控对象右半开平面极点数的限制，可能存在名义系统和H∞控制器的零极点对消，而H∞回路成形方法能很好地解决这一问题不受被控对象右半开平面极点数限制，形成无零极点对消的H∞控制器，继承了经典回路成形设计思想，具有更好的操作性。为了解决无人机系统设计中遇到的不确定性问题，依据H∞鲁棒控制理论，采用回路成形方法，设计无人机鲁棒控制器。因此，本专利技术提出将H∞回路成形应用于无人机内外回路设计中，为解决无人机系统存在的扰动和模型不确定的技术问题提出新的解决方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术提供一种无人直升机H∞回路成形全包线飞行控制方法，从而能够有效解决现有技术无人机系统存在的扰动和模型不确定等技术问题。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种无人直升机H∞回路成形全包线飞行控制方法，包括以下步骤：步骤S1：回路成形设计，对于H∞回路成形基本结构，设置加权对角阵W1和W2加权配置后成形的开环传递函数阵为：Gs＝W2GW1，并设计H∞控制器K∞(s)阵，使[d,v]T到误差[z1,z2]T的传递函数阵的H∞范数的倒数达到最大；即，也即，其中，G为被控对象模型，Gs为加权配置后的对象模型，W1和W2针对不同的对象得出不同的矩阵，d为扰动输入，v为控制输入，z1为扰动输入下的输出，z2为控制输入下的输出误差，∈可表征系统的稳定裕度；直接按照上式求解K∞得出H∞控制器K∞(s)；步骤S2：基于所设计的H∞控制器K∞(s)分别设计内回路控制器和外回路控制器，以用于全包线飞行控制。优选地，被控对象矩阵G所对应的状态方程为：上式中的状态量其中，Δx,Δy,Δz分别表示机体轴系X,Y,Z轴向的速率，Δvx和Δvy分别表示前飞速率和侧飞速率，Δθ表示俯仰姿态角，Δφ表示横滚姿态角，Δvz表示垂直轴速度和表示偏航角速率；控制变量ΔU＝[Δδe,Δδa,Δδc,Δδr]T，其中，Δδe,Δδa,Δδc,Δδr分别表示纵向周期变距、横向周期变距、总距和尾浆距；状态Aa阵将为10×10矩阵，控制阵Ba为10×4矩阵。优选地，内回路控制器用于提供稳定与解耦，选取Δθ,Δφ,Δvz,这四个变量的控制通道为内回路，也即，将俯仰姿态角，横滚姿态角，垂直轴速度和偏航角速率作为被控制量。优选地，内回路成形设计完成后，使各通道的所有闭环极点均在S平面的左半平面；系统所确定的W1和W2对角阵的增益，使开环系统的截止频率在满足稳定裕度条件下，有尽可能大的值。优选地，外回路控制器用于进行速度和轨迹控制，采用单输入单输出(SISO)状态下H∞回路成形法设计。优选地，采用平衡模型截断法(balancedmodetruncation)等对闭合内回路进行简化处理，将各自的内回路处理成已独立的近似动力学模型。优选地，加权阵W2在反馈通道中，包含了抑制飞机传感器噪声的低通滤波器和改善鲁棒性的超前滞后校正器，加权阵W1在前向通道中，采用比例+积分(P+I)的控制律形式，然后设计H∞控制器K∞(s)阵，应在达到所给定的稳定裕度指标前提下，使系统开环传递函数阵K∞W2GW1的奇异值曲线不会有明显的改变，从而保持已成形的开环系统W2GW1的奇异值特性。优选地，由于内外回路中，均具有积分环节。因此一般需设置抗积分卷绕回路(anti‐winduploop)。优选地，由于内回路已设计成4通道输入和4通道输出的高带宽的鲁棒解耦系统。因此外回路可采用单输入单输出(SISO)状态下H∞回路成形法设计。设计时应对内回路系统的动特性进行简化处理，即将各自的内回路处理成已独立的近似动力学模型。这可采用平衡模型截断法(balancedmodetruncation)等对闭合内回路进行简化处理。权阵W1仍以比例加积分形式设置。W2与内回路一样，用二阶滤波器抑制传感器噪声。由于被控的姿态角是有一定的限制范围，因此也必然会对W1阵中的积分器产生卷绕。故也必须用经典反卷绕回路加以抑制。本专利技术具有以下优点及有益效果：1、本专利技术将经典控制与现代鲁棒优化控制综合在一个框架下，使直升机在全包线机动飞行范围内具有优良的对输入信号进行动态跟踪及各通道解耦性能。2、本专利技术根据内外回路思想结合鲁棒H∞回路成形方法，设计了无人直升机双回路飞行控制系统。内回路主要完成无人直升机的全姿态控制，包括滚转角、俯仰角和偏航角的同时控制；外回路在内回路的基础上实现了速度跟踪，所设计的控制系统基本实现了无人直升机各通道之间的解耦，且具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。附图说明图1为本专利技术H∞回路成形的基本结构图；图2为本专利技术H∞控制器对系统开环奇异值曲线的影响；图3为本专利技术内回路控制结构示意图；图4为本专利技术方法中四通道波特图；图5为本专利技术方法中外回路的速度vx,vy的控制结构图；图6为本专利技术方法中外回路的轨迹控制及航向角ψ控制结构图；图7为本专利技术方法中飞行测试特性与仿真特性对比(实线为试飞记录，虚线为仿真记录)。图8为本专利技术校检系统的带宽表；图9为本专利技术校检通道间的解耦表。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。1.回路成形H∞回路成形的基本结构如图1所示，G阵为被控对象在某工作状态下的增量线性化动力学时不变模型。设置加权对角阵W1和W2对G阵的开环奇异值(相当于标量系统控制对象幅频特性)进行成形。经加权配置后成形的开环传递函数阵为Gs，使用前置补偿器W1和后置补偿器W2对G的开环奇异值进行成形，得到Gs＝W2GW1，使得Gs与期望对象Gd的奇异值曲线接近。为了实现通道间的解耦，一般选取Gd为对角阵。权阵W2在反馈通道中，包含了抑制飞机传感器噪声的低通滤波器和改善鲁棒性的超前滞后校正器，加权阵W1在前向通道中，采用比例+积分(P+I)的控制律形式，其中积分环节用于提高低频增益，以提高本通道的稳态跟踪精度，同时对本通道工作时引起的其他通道的耦合输出有稳态解耦的性能，引入积分环节还有利于抑制作用于控制对象的干扰，并可实现飞机的自动配平。W1中引入的比例环节，与积分环节并联，相当于给系统在根轨迹的S平面上引入一个零点，这样可减少积分环节在截止频率处的相位滞后。调节W1与W2的总增益则可将带宽调节到适当范围。成形后的开环系统Gs应呈现低频段高增益，高频段低增益的特性，且具有理想的带宽。高带宽可适应直升机飞行速度提高后的机动飞行，以扩展到全包线飞行。按上述设计思想，对回路进行成形后，接着应设计H∞控制器K∞(s)阵。控制阵K∞(s)的引入，应使[d,v]T到误差[z1,z2]T的传递函数阵的H∞范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：回路成形设计，对于H∞回路成形基本结构，设置加权对角阵W1和W2加权配置后成形的开环传递函数阵为：Gs＝W2GW1，并设计H∞控制器K∞(s)阵，使[d,v]

【技术特征摘要】
1.一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：回路成形设计，对于H∞回路成形基本结构，设置加权对角阵W1和W2加权配置后成形的开环传递函数阵为：Gs＝W2GW1，并设计H∞控制器K∞(s)阵，使[d,v]T到误差[z1,z2]T的传递函数阵的H∞范数的倒数达到最大；即，也即，其中，G为被控对象模型，Gs为加权配置后的对象模型，W1和W2针对不同的对象得出不同的矩阵，d为扰动输入，v为控制输入，z1为扰动输入下的输出，z2为控制输入下的输出误差，∈可表征系统的稳定裕度；直接按照上式求解K∞得出H∞控制器K∞(s)；步骤S2：基于所设计的H∞控制器K∞(s)分别设计内回路控制器和外回路控制器，以用于全包线飞行控制。2.根据权利要求1所述的无人直升机回路成形全包线飞行控制方法，其特征在于：被控对象矩阵G所对应的状态方程为：上式中的状态量其中，Δx,Δy,Δz分别表示机体轴系X,Y,Z轴向的速率，Δvx和Δvy分别表示前飞速率和侧飞速率，Δθ表示俯仰姿态角，Δφ表示横滚姿态角，Δvz表示垂直轴速度和表示偏航角速率；...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾杰，
申请(专利权)人：贾杰，
类型：发明
国别省市：江西,36