飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)pid魯棒控制器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，該方法在給定不同高度、馬赫數(shù)條件下通過(guò)掃頻飛行試驗(yàn)直接確定獲得全包線內(nèi)的幅頻和相頻特性構(gòu)成的模型簇；根據(jù)飛行包線內(nèi)的幅頻特性直接確定開(kāi)環(huán)截止頻率區(qū)間；根據(jù)飛行包線內(nèi)的相頻特性直接確定與截止頻率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的相位裕度區(qū)間；通過(guò)加入多級(jí)PID控制器并在飛行器全包線內(nèi)的相位裕度指標(biāo)和系統(tǒng)辨識(shí)中的模型辨識(shí)方法確定多級(jí)PID魯棒控制器級(jí)數(shù)和參數(shù)值；在飛行器全飛行包線內(nèi)的幅值裕度指標(biāo)分貝數(shù)給定情況下進(jìn)行控制器效果驗(yàn)證；從相位裕度和幅值裕度的概念出發(fā)設(shè)計(jì)出符合全飛行包線的無(wú)駕駛員誘發(fā)振蕩、超調(diào)量小、平穩(wěn)的低空飛行魯棒控制器。
【專利說(shuō)明】飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行器控制器設(shè)計(jì)方法，特別涉及飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，屬于測(cè)控技術(shù)和飛行力學(xué)等范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行器起降過(guò)程的控制對(duì)飛行安全有重要作用；由于飛行器起降過(guò)程中飛行速度變化大，即使按照縱向模型也會(huì)面臨強(qiáng)非線性問(wèn)題；另一方面，飛行器的操縱舵存在飽和、死區(qū)等現(xiàn)象；從飛行安全考慮，超低空飛行(如飛機(jī)起飛/著陸)時(shí)，控制器必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度、無(wú)超調(diào)和平穩(wěn)性，這樣，就使得超低空飛行控制器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，不能直接套用現(xiàn)有控制理論進(jìn)行飛行器控制的設(shè)計(jì)。
[0003]在現(xiàn)代實(shí)際飛行控制器的設(shè)計(jì)中，一少部分采用狀態(tài)空間法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而大多數(shù)仍然采用以PID為代表的經(jīng)典頻域法和逆Nyquist陣列法為代表的現(xiàn)代頻率法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為特征、以解析計(jì)算為主要手段、以實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)為最優(yōu)的現(xiàn)代控制理論，而后有發(fā)展了最優(yōu)控制方法、模型參考控制方法、自適應(yīng)控制方法、動(dòng)態(tài)逆控制方法，反饋線性化方法、直接非線性優(yōu)化控制、變?cè)鲆婵刂品?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，模糊控制方法，魯棒控制法以及多種方法組合控制等一系列控制器設(shè)計(jì)方法，發(fā)表的學(xué)術(shù)論文數(shù)以萬(wàn)計(jì)，例如2011年Ghasemi A設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊滑?？刂频脑偃腼w行器(GhasemiA，Moradi Mj Menhaj M B.Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control Design for a Low-LiftReentry Vehicle[J].Journal of Aerospace Engineering, 2011，25 (2):210-216)，2013年Babaei A R為非最小相位和非線性飛行器設(shè)計(jì)了模糊滑?？刂谱詣?dòng)駕駛儀(Babaei A R, Mortazavi M, Moradi M H.Fuzzy sliding mode autopilot designfor nonminimum phase and nonlinear UAV[J].Journal of Intelligent and FuzzySystems, 2013，24(3):499_509)，很多研究?jī)H僅停留在理想化的仿真研究階段；而且這種設(shè)計(jì)存在三個(gè)問(wèn)題:(I)由于無(wú)法進(jìn)行飛行器超低空操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，難以得到精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；(2)對(duì)于軍標(biāo)規(guī)定的穩(wěn)定裕度等評(píng)價(jià)飛行控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，狀態(tài)空間法遠(yuǎn)不像經(jīng)典頻率法那樣能以明顯的形式表達(dá)出來(lái)；(3)控制器結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、沒(méi)有考慮實(shí)際控制器和飛行狀態(tài)的約束，設(shè)計(jì)的控制器物理上不可實(shí)現(xiàn)。
[0004]英國(guó)的學(xué)者Rosenbrock系統(tǒng)地、開(kāi)創(chuàng)性地研究了如何將頻域法推廣到多變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去，利用矩陣對(duì)角優(yōu)勢(shì)概念，把多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為能用人們熟知的古典方法的單變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以后相繼出現(xiàn)了 Mayne序列回差法，MacFarlane特征軌跡法、Owens并矢展開(kāi)法等方法，共同特點(diǎn)是把多輸入一多輸出、回路間嚴(yán)重關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，化為一系列單變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)而可選用某一種古典方法(Nyquist和Bode的頻率響應(yīng)法，Evans的根軌跡法等)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，上述這些方法保留和繼承了古典圖形法的優(yōu)點(diǎn)，不要求特別精確的數(shù)學(xué)模型，容易滿足工程上的限制。特別是當(dāng)采用有圖形顯示終端的人一機(jī)對(duì)話式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和智慧，設(shè)計(jì)出既滿足品質(zhì)要求，又是物理上可實(shí)現(xiàn)的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的控制器；國(guó)內(nèi)外對(duì)多變量頻率法進(jìn)行了改進(jìn)研究(高大遠(yuǎn)，羅成，沈輝，胡德文，撓性衛(wèi)星姿態(tài)解藕控制器多變量頻率域設(shè)計(jì)方法，宇航學(xué)報(bào)，2007，Vol.28(2)，pp442-447 ;熊柯，夏智勛，郭振云，傾斜轉(zhuǎn)彎高超聲速巡航飛行器多變量頻域法解耦設(shè)計(jì)，彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，Vol.31(3)，pp25-28)但是，這種設(shè)計(jì)方法可考慮系統(tǒng)不確定問(wèn)題時(shí)保守性過(guò)大，在飛行器操縱舵限制情況下不能得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0005]在高性能飛機(jī)的研制中，評(píng)價(jià)一架飛機(jī)飛行品質(zhì)的好壞，不僅取決于飛機(jī)本身和駕駛員操縱的動(dòng)力學(xué)特性，還取決于駕駛員與飛機(jī)之間高度一致地配合，以及駕駛員與先進(jìn)飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)之間功能分配的合理性。直到1980年后，評(píng)價(jià)飛機(jī)飛行品質(zhì)的美軍標(biāo)仍然存在著嚴(yán)重缺陷，即沒(méi)有考慮駕駛員在操縱回路中的作用，因而由此所得的評(píng)價(jià)與試飛員試飛后所得的結(jié)果仍有一定差距。近年來(lái)，正在發(fā)展一種有駕駛員參與系統(tǒng)的閉環(huán)準(zhǔn)則(尼爾2史密斯準(zhǔn)則)，但如何實(shí)現(xiàn)至今仍無(wú)有效算法。尼爾一史密斯準(zhǔn)則是在1970年提出的，它是一個(gè)閉環(huán)俯仰跟蹤準(zhǔn)則。它考慮問(wèn)題的方法是:在駕駛員駕駛飛機(jī)時(shí)與飛機(jī)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員輕松地操縱就能達(dá)到特定的飛行指標(biāo)，則飛行品質(zhì)是好的。為了獲得與駕駛員一致的對(duì)飛機(jī)的評(píng)價(jià)意見(jiàn)，則在理論分析中必須把駕駛員包括在內(nèi)。通常，駕駛員行為的數(shù)學(xué)模型是非線性的，可能是離散的，但當(dāng)研究具有穩(wěn)定性的操縱對(duì)象時(shí)，有用的近似模型仍為線性。由大量飛行實(shí)踐和仿真研究表明，駕駛員的行為由他的心理特性、生理特性、周圍環(huán)境、操縱系統(tǒng)、操縱對(duì)象所要完成的任務(wù)來(lái)決定，盡管駕駛員有著各自的特點(diǎn)，但在完成單一的飛行任務(wù)中，大多數(shù)駕駛員的動(dòng)作可由完全確定的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，它是駕駛員行為的大量試驗(yàn)的平均狀態(tài)，與實(shí)際情況很接近，因此現(xiàn)在大都采用如下形式的人機(jī)閉環(huán)特性駕駛員模型:
[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種飛行器多回路模型簇人機(jī)閉環(huán)PID魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟: 步驟1、給定不同高度、馬赫數(shù)下通過(guò)掃頻飛行試驗(yàn)直接由允許飛行的全包線內(nèi)的幅頻和相頻特性構(gòu)成飛行器全包線內(nèi)的操縱舵面與飛行高度之模型簇，并且能夠跨越飛行包線獲得飛行器的顫振頻率，得到對(duì)應(yīng)的飛行器操縱舵面與飛行高度之間開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型簇矩陣為:
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103809444SQ201410069797
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】史忠科 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司