不确定因素下三自由度直升机模型预测控制方法研究

摘要

直升机在国计民生中担任着重要的角色，为科技的发展及社会的进步做出了巨大的贡献。“CH47-支奴干”是一款运输性能优异的直升机，能够运载一些大型、重型设备。为了研究该类型直升机在实际飞行中的多种问题，加拿大Quanser公司生产了三自由度（3DOF）直升机实验模型，该模型是对“CH47-支奴干”直升机的简化模拟，其特点可概括为高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合以及时变等。面对这类复杂的系统，传统的控制方法就变得有些无能为力了。而模型预测控制（MPC）能够显式地处理被控对象的输入与输出约束，具有鲁棒性好、控制效果优良等特点。所以本文基于模型预测控制方法，研究三自由度直升机系统在姿态跟踪控制中的相关问题。
　　由于直升机在飞行中会遇到来自外部的干扰，产生飞行控制中的不确定性；同时，直升机系统的模型特性受飞行高度和姿态的影响而发生一定的改变，存在结构与参数摄动的情况，一般很难用精确的机理模型来描述。在进行直升机的飞行控制器设计时，如果不考虑这些不确定因素则会造成模型失配，影响姿态跟踪性能。因此，本文针对三自由度直升机飞行控制中的外界未知干扰、模型不确定性问题进行研究。论文的主要研究内容如下：
　　①针对外界未知干扰的问题，将系统的非线性机理模型在每个采样时刻线性化，并使用扰动观测器估计出当前时刻扰动的大小，分别基于无扰动预测与有扰动预测的方法设计了模型预测控制器，使用简单对偶网络（SDN）解带约束的优化问题，得到优化解。最后通过仿真验证扰动补偿算法的有效性。
　　②对于三自由度直升机模型的不确定性问题，设计三自由度直升机实验模型的稳定控制器与多正弦激励信号，然后使用回响状态网络（ESN）对系统进行闭环辨识，基于得到的ESN网络模型，设计了模型预测姿态跟踪控制器，使用SDN网络求得带输入与输出约束的优化解。最后通过实验来验证所提方法在三自由度直升机姿态控制中的有效性。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.4 研究内容

2 三自由度直升机模型系统

2.1 系统总体组成结构

2.2 直升机实验模型组成及工作原理

2.3 系统模型特性分析

2.4 小节

3 基于扰动观测器与SDN网络的三自由度直升机模型预测控制

3.1 逐点线性化模型

3.2 扰动观测器的设计

3.3 模型预测控制器设计

3.4 简单对偶神经网络优化算法

3.5 仿真分析

3.5 小节

4 基于ESN辨识的三自由度直升机模型预测控制

4.1 闭环辨识

4.2 回响状态网络

4.3 基于ESN网络的模型预测控制器设计

4.4 姿态跟踪实验分析

4.5 小节

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目