基于H∞回路成形的无人直升机非脆弱鲁棒飞行控制研究

无人直升机因其独特的飞行特点而具有日益重要的军事和民用价值。本文研究无人直升机鲁棒飞行控制器的设计问题。无人直升机是典型的多输入多输出系统,具有不稳定、强耦合、不确定、全飞行包线内飞行特性差异大以及飞行控制器可能存在脆弱性的特点。本文针对以上特点对无人直升机的鲁棒飞行控制进行了深入的研究。 首先,在对无人直升机的关键飞行控制问题,以及被控对象和控制器同时存在互质因子不确定性的系统非脆弱鲁棒稳定性进行分析的基础上,提出了非脆弱鲁棒解耦的概念,得到了闭环控制系统能够非脆弱鲁棒稳定且具有非脆弱鲁棒解耦性能的充分条件,并给出了非脆弱鲁棒解耦控制器的优化设计方法。进一步,研究了当被控对象和控制器同时存在正规化互质因子不确定性时,利用H∞回路成形控制方法设计最优非脆弱鲁棒解耦控制器的设计方法。 其次,针对H∞回路成形控制方法的设计关键—权重函数的选取问题,在对回路成形要求进行深入分析的基础上,提出一种基于工程设计,辅以混沌优化、具有非脆弱约束的权重函数选取方法,可以减少调整权重函数的次数,缩短控制器的设计周期,并且最终控制器不但可以同时满足频域和时域的控制要求,而且具有较强的鲁棒性和一定的非脆弱性。 然后,以ADS33-E中LEVEL1控制品质为设计目标,设计了基于H∞回路成形的某型号无人直升机悬停状态的标准鲁棒ACAH控制器和非脆弱鲁棒ACAH控制器,并对两者的控制性能进行比较。仿真对比结果表明非脆弱鲁棒控制器不仅能够满足控制器的设计要求,而且比标准鲁棒控制器更具有非脆弱鲁棒稳定性和非脆弱鲁棒解耦性能。进一步,对非脆弱鲁棒ACAH控制器的控制性能进行了半实物仿真验证。 接着,给出了无人直升机全飞行包线非脆弱鲁棒控制器的设计策略。结合全飞行包线控制器的双回路控制结构,提出了一种“特性区间划分”的飞行包线划分方法,这种方法不仅考虑了物理对象的实际特性,而且能够同时保证控制器的鲁棒性和控制性能。另外,还提出了一种“奇异值度量法”的标称设计模型选取方法,可以方便地选取出子飞行区域内控制器的标称设计模型。 最后,设计了基于H∞回路成形的某型号无人直升机全飞行包线ACAH非脆弱鲁棒控制器,并给出了其速度回路和位置回路的控制器设计方法。对某型号无人直升机全飞行包线控制器进行了全数字和半实物仿真实验,实验结果表明控制器具有良好的跟踪/解耦性能、较强的抗干扰能力以及较好的非脆弱性。