基于干扰观测器的三自由度模型直升机控制技术

摘要

直升机的飞行控制系统属于典型的多输入多输出(Multi-input and Multi-output，MIMO)系统，具有较强的通道耦合和非线性特性，是控制工程领域较为复杂的被控对象。三自由度(Three Degree Of Freedom，3DOF)模型直升机作为一个构造简单且成本低廉的实验装置，可用于验证各种线性和非线性控制方法，为直升机飞行控制方法的研究与开发提供指导作用。论文以固高科技有限公司研制的三自由度模型直升机为实验平台，针对存在外界未知干扰、建模不确定、输入饱和以及输出受限的三自由度模型直升机控制问题，研究了基于观测器的鲁棒控制方法。主要研究内容如下：
　　首先，根据3DOF模型直升机的运动特点，研究了3DOF模型直升机的非线性数学模型，并在平衡状态进行线性化，给出了线性运动方程。
　　然后，针对存在外界干扰的3DOF模型直升机线性模型，设计了基于干扰观测器的广义比例积分(Generalized Proportional Integral，GPI)控制器。所设计的干扰观测器能有效估计外界干扰；控制器的设计简单易行，控制参数可直接通过极点配置的方法获得。数值仿真结果表明，所设计的控制器在系统存在外界干扰情况下具有良好的跟踪性和鲁棒性。实验结果验证了所设计的GPI控制器比传统的比例积分微分(Proportion-Integral-Derivative，PID)控制器具有更好的跟踪性能，并能有效解决传统PID控制器中由微分项引入的噪声问题。
　　其次，研究了一类具有外界未知干扰和建模不确定非线性系统的反演控制方法，并应用于3DOF模型直升机的运动控制。设计干扰观测器估计系统的外界未知干扰和建模不确定，设计反演控制律实现姿态的跟踪控制。利用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性，并将该方法应用于俯仰通道的运动控制，仿真结果表明，在系统存在外界未知干扰和建模不确定情况下，所设计的控制器仍能保证俯仰通道具有良好的跟踪性能。实验结果验证了所设计的控制器使俯仰通道具有良好的跟踪性能。
　　接着，考虑存在外界未知干扰和建模不确定的3DOF模型直升机非线性模型的三轴运动控制问题，研究了一种基于增广状态观测器的反演控制方法。将整个系统分成两个子系统，设计增广状态观测器有效估计未知状态、外界未知干扰和建模不确定；将滚转角作为偏航通道的虚拟控制输入，设计辅助系统，有效补偿偏航通道输入饱和的影响，并利用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，在系统存在外界未知干扰及建模不确定的情况下，整个闭环控制系统可以得到满意的跟踪性能。
　　最后，针对3DOF模型直升机存在外界未知干扰、建模不确定、输入饱和和输出受限综合影响下的运动控制问题，设计了基于观测器的反演控制器。采用增广状态观测器处理系统的外界未知干扰、建模不确定和未知状态量；构造辅助系统解决电机饱和受限的影响；利用界限Lyapunov函数(Barrier Lyapunov Function，BLF)处理系统的输出受限问题，用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，在外界未知干扰、建模不确定、输入饱和及输出受限的综合影响下，所设计的控制器能保证整个闭环控制系统得到满意的控制效果。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 3DOF模型直升机控制技术研究现状

1.3非线性控制方法在飞行控制中的应用

1.4本文主要研究内容

第二章 3DOF模型直升机的建模与分析

2.1 引言

2.2 3DOF模型直升机简介

2.3 3DOF模型直升机数学模型的建立

2.4小结

第三章 基于干扰观测器的3DOF模型直升机的GPI控制

3.1 引言

3.2基于干扰观测器的3DOF模型直升机的GPI控制

3.3仿真结果

3.4 小结

第四章 基于干扰观测器的3DOF模型直升机的反演控制

4.1引言

4.2基于干扰观测器的3DOF模型直升机反演控制

4.3仿真结果

4.4 小结

第五章 基于增广状态观测器的3DOF模型直升机反演控制

5.1引言

5.2基于增广状态观测器的3DOF模型直升机反演控制

5.3数值仿真结果

5.4 小结

第六章 输入输出受限的3DOF模型直升机的反演控制

6.1引言

6.2输入输出受限的3DOF模型直升机的反演姿态控制

6.3数值仿真结果

6.4小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作

7.2 本文的不足及进一步展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文