飛行器多回路模型簇人機閉環(huán)復(fù)合根軌跡多級pid魯棒控制器設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種飛行器多回路模型簇人機閉環(huán)復(fù)合根軌跡多級PID魯棒控制器設(shè)計方法，該方法在給定不同高度、馬赫數(shù)條件下通過掃頻飛行試驗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)的幅頻裕度和相位裕度軍標(biāo)要求，給出了對應(yīng)根軌跡描述下的閉環(huán)極點分布限制指標(biāo)，通過加入多級PID控制器并在飛行器全包線內(nèi)的閉環(huán)極點分布限制指標(biāo)和系統(tǒng)辨識中的模型辨識方法確定多級PID魯棒控制器級數(shù)和參數(shù)值；從根軌跡描述下的閉環(huán)極點分布限制的概念出發(fā)設(shè)計出符合全飛行包線的無駕駛員誘發(fā)振蕩、超調(diào)量小、平穩(wěn)的低空飛行控制器。
【專利說明】飛行器多回路模型簇人機閉環(huán)復(fù)合根軌跡多級PID魯棒控制器設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行器控制器設(shè)計方法，特別涉及飛行器多回路模型簇人機閉環(huán)復(fù)合根軌跡多級PID魯棒控制器設(shè)計方法，屬于測控技術(shù)和飛行力學(xué)等范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行器起降過程的控制對飛行安全有重要作用；由于飛行器起降過程中飛行速度變化大，即使按照縱向模型也會面臨強非線性問題；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(如飛機起飛/著陸)時，控制器必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度、無超調(diào)和平穩(wěn)性，這樣，就使得超低空飛行控制器設(shè)計非常復(fù)雜，不能直接套用現(xiàn)有控制理論進行飛行器控制的設(shè)計。
[0003]在現(xiàn)代實際飛行控制器的設(shè)計中，一少部分采用狀態(tài)空間法進行設(shè)計，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)代頻率法進行控制器設(shè)計?，F(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為特征、以解析計算為主要手段、以實現(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、變增益控制法、神經(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)計方法，發(fā)表的學(xué)術(shù)論文數(shù)以萬計，例如2011年Ghasemi A設(shè)計了自適應(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)計了模糊滑?？刂谱詣玉{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)，很多研究僅僅停留在理想化的仿真研究階段；而且這種設(shè)計存在三個問題:(I)由于無法進行飛行器超低空操縱穩(wěn)定性試驗，難以得到精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型；(2)對于軍標(biāo)規(guī)定的穩(wěn)定裕度等評價飛行控制系統(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出來；(3)控制器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、沒有考慮實際控制器和飛行狀態(tài)的約束，設(shè)計的控制器物理上不可實現(xiàn)。
[0004]英國的學(xué)者Rosenbrock系統(tǒng)地、開創(chuàng)性地研究了如何將頻域法推廣到多變量系統(tǒng)的設(shè)計中去，利用矩陣對角優(yōu)勢概念，把多變量問題轉(zhuǎn)化為能用人們熟知的古典方法的單變量系統(tǒng)的設(shè)計問題，以后相繼出現(xiàn)了 Mayne序列回差法，MacFarlane特征軌跡法、Owens并矢展開法等方法，共同特點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，化為一系列單變量系統(tǒng)的設(shè)計問題，進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，上述這些方法保留和繼承了古典圖形法的優(yōu)點，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對話式的計算機輔助設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)時，可以充分發(fā)揮設(shè)計者的經(jīng)驗和智慧，設(shè)計出既滿足品質(zhì)要求，又是物理上可實現(xiàn)的、結(jié)構(gòu)簡單的控制器；國內(nèi)外對多變量頻率法進行了改進研究(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)計方法，宇航學(xué)報，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，彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2011，Vol.31 (3)，pp25-28)但是，這種設(shè)計方法可考慮系統(tǒng)不確定問題時保守性過大，在飛行器操縱舵限制情況下不能得到合理的設(shè)計結(jié)果。
[0005]在高性能飛機的研制中，評價一架飛機飛行品質(zhì)的好壞，不僅取決于飛機本身和駕駛員操縱的動力學(xué)特性，還取決于駕駛員與飛機之間高度一致地配合，以及駕駛員與先進飛機飛行控制系統(tǒng)之間功能分配的合理性。直到1980年后，評價飛機飛行品質(zhì)的美軍標(biāo)仍然存在著嚴(yán)重缺陷，即沒有考慮駕駛員在操縱回路中的作用，因而由此所得的評價與試飛員試飛后所得的結(jié)果仍有一定差距。近年來，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)，但如何實現(xiàn)至今仍無有效算法。尼爾一史密斯準(zhǔn)則是在1970年提出的，它是一個閉環(huán)俯仰跟蹤準(zhǔn)則。它考慮問題的方法是:在駕駛員駕駛飛機時與飛機構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員輕松地操縱就能達到特定的飛行指標(biāo)，則飛行品質(zhì)是好的。為了獲得與駕駛員一致的對飛機的評價意見，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)定性的操縱對象時，有用的近似模型仍為線性。由大量飛行實踐和仿真研究表明，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)、操縱對象所要完成的任務(wù)來決定，盡管駕駛員有著各自的特點，但在完成單一的飛行任務(wù)中，大多數(shù)駕駛員的動作可由完全確定的數(shù)學(xué)模型來描述，它是駕駛員行為的大量試驗的平均狀態(tài)，與實際情況很接近，因此現(xiàn)在大都采用如下形式的人機閉環(huán)特性駕駛員模型:
【權(quán)利要求】
1.一種飛行器多回路模型簇人機閉環(huán)復(fù)合根軌跡多級PID魯棒控制器設(shè)計方法，其特點是包括以下步驟: 步驟1、給定不同高度、馬赫數(shù)下通過掃頻飛行試驗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，得到對應(yīng)的飛行器操縱舵面與飛行高度之間開環(huán)傳遞函數(shù)模型簇矩陣為:
【文檔編號】G05B13/04GK103809443SQ201410069796
【公開日】2014年5月21日 申請日期: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 申請人:西安費斯達自動化工程有限公司