大包线飞行控制系统鲁棒设计研究

本论文对大包线飞行控制系统的控制律设计方法进行研究，主要进行各种鲁 棒控制设计方法的理论与应用研究。论文重点对鲁棒H∞控制理论、结构奇异值 综合理论、线性变参数系统自增益调度控制理论进行研究，并将这些理论应用于 大包线飞行控制律的设计。主要工作有以下两大方面： 一、针对大包线飞机对象的特点，研究了鲁棒控制中对象不确定性的描述问 题和飞行包线区域划分方法及各个区域内标称设计对象的选取方法。 1、分析了造成鲁棒控制器设计结果保守的一个重要原因，即在控制器设计 时对飞机对象的不确定性范围定得过大，限制了系统性能指标的提高。在利用二 次稳定性的概念设计H∞控制器时，讨论了几种参数摄动系统的表示形式，提出 了一种保守性较小的对象不确定性表示方法，此方法应用于H∞控制器的设计使 得系统在提高鲁棒稳定性的同时，性能指标也保持得很好。 2、进一步分析了工作1并没有完全克服对象不确定性描述的保守性问题， 指出用线性分式变换描述不确定对象是一种最普遍的描述方法。重点研究了对于 大包线飞机对象在结构奇异值综合设计中如何表示为一种参数不确定性的方法， 提出了基于时域和基于频域的两种参数不确定性的表示方法，这两种大包线对象 的表示方法应用于控制器的设计中可大大减少控制器设计的保守性。 3、研究了采用鲁棒控制方法进行大包线飞行控制系统设计时飞行包线的区 域划分的方法及各个区域内标称设计对象的选取方法。本论文提出的飞行包线的 区域划分克服了传统的飞行包线规则划分方法忽视了物理对象实际特性的缺点， 并且开发了一个飞行包线自动划分的软件。并且提出了一种有利于同时保证控制 系统鲁棒性和性能指标的标称对象选取方法。 二、在对大包线飞机对象的描述的基础上，分别采用鲁棒H∞控制、结构奇 异值综合设计和线性变参数系统自增益调度控制方法，设计了大包线飞行控制 律。 1、应用H∞控制理论进行大包线飞行控制系统的设计。研究了参数摄动系统 的H∞稳定控制器的设计，并应用此方法进行了大包线纵向增稳系统设计。对于 大范围模型参数变化的对象，研究了鲁棒H∞混合灵敏度设计方法，并进行了大 包线俯仰角控制系统设计。 西北工业大学博士学位论文 一 2、研究了结构奇异值理论在大包线飞行控制系统设计中的应用，在基于时 域和基于频域的两种参数不确定性的表示方法的基础上，采用结构奇异值综合方 法设计了大包线飞机侧向控制系统。 3、研究了线性变参数系统的自增益调度控制器设计，讨论了目前采用的各 种自增益调度方法及其优缺点，解决了这些理论应用于实际系统中的如何满足一 些限制条件约束的问题。最后采用单一Lypunov函数方法设计了飞机俯仰角速 率的自增益调度控制器并进行了仿真。