网络化不确定时滞系统鲁棒控制研究及其在飞行控制中的应用

摘要

在实际工程领域中，由于人类认知能力和方法的局限性，以及客观事物本身的复杂性，很难得到系统确定或精确的描述，从而导致大量的不确定性存在。同时随着现代控制系统规模的不断扩大，复杂性迅速增加，系统结构不定性、未建模参数不定性、外部环境不可预知性、外部干扰的随机性等进一步加大了系统不确定因素的复杂性和来源。同时现代控制领域对复杂系统的安全性和可靠性的要求越来越高，因此考虑系统的不确定因素，研究不确定系统的鲁棒控制策略，以保证系统动态特性在一定摄动范围内变化时仍能保持较好性能具有重要的理论意义和实践价值。此外，随着通讯技术和复杂网络的发展，大规模网络化控制系统以其成本低、连接灵活、易于安装扩展、维护简单、功能复杂等优点已成为复杂大系统客观需求。但是由于网络对通信介质分时复用的特点，当多个节点通过网络进行数据交互时，常常出现数据碰撞、信息阻塞、连接中断、多帧传输等现象，因而不可避免地出现信息的非实时传输。因此除了系统的不确定性之外，时滞问题是网络化控制系统研究中面临的又一主要问题，它往往是导致系统性能恶化的重要原因。
　　对于飞行控制系统而言，为了满足需要共享和交换的数据量越来越大、类型越来越复杂的客观需求，数据总线技术越来越广泛的被应用在飞行控制系统中。基于总线的飞行控制系统作为一类典型的网络化控制系统从根本上突破了传统的“点对点”连接方式的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、高信息共享、多节点通信与控制的交互式反馈飞行控制系统，满足了现代飞行器复杂化和智能化的要求，是现代化飞行控制系统的发展趋势。本论文通过对网络化控制系统的共性问题和网络化飞行控制系统的专有问题的分析，针对飞行总线数据传输特性和系统不确定结构特性进行模型化分析，研究了不确定网络化飞行控制系统的建模方法、鲁棒稳定性条件及H?跟踪控制策略，以解决两类导致系统性能恶化的主要问题：一类是航空总线引入后由传输时滞引起的不可靠通信问题；一类是飞行器在飞行过程中由于空气动力学参数变化和工作环境复杂性带来的、来自系统内部和外部的大量不确定因素问题，从而保证飞控系统的稳定性和安全性。本文研究的主要内容和创新点主要体现在以下几个方面：
　　（1）以飞行控制系统为应用背景，对飞行总线引入到飞行控制系统中所带来的问题进行了阐述，针对目前对不确定性研究的抽象性和单一性问题，拓展了不确定性的含义，从系统模型、外界扰动、飞机故障、控制输入以及总线时滞方面，对不确定性进行了系统的对象化研究，给出了它们的数学描述方法和模型参数表现形式，建立了包含各类典型不确定性的飞行控制系统综合不确定性模型，拓展了建模者的思路。
　　（2）基于对国内外航空总线技术特点的分析，系统的讨论了总线时滞的产生机理和组成，以及对飞行控制系统的影响；基于时滞系统理论建立了网络化飞行控制系统NFCS的离散时间模型，研究了满足系统稳定的最大允许时滞边界；根据Krasovskii稳定性定理构造了一个显含时滞的Lyapunov-Krasovskii正定泛函，通过引入适当个数的自由权矩阵，建立了新的积分不等式，避免了模型变换和交叉项界定方法；给出了离散多时滞不确定飞行控制系统的渐进稳定性条件，分析了与衰减速率相关的控制性能，最后运用LMI方法以及锥补线性化方法设计了时滞依赖的网络化镇定控制器，以及满足指数衰减率指标的状态反馈控制器。
　　（3）针对飞行总线数据传输的特性，分别基于对传感器和执行器数据传输失效的结构性分析建立类传感器和类执行器故障模型，并将这两种故障状态建立到范数有界不确定网络化飞行控制系统模型中，分别对类传感器故障和类执行器故障的鲁棒完整性给出了稳定性条件以及鲁棒容错控制策略的设计方法；并将带有时滞特性和系统不确定性的闭环网络化飞行控制系统作为研究对象，建立其范数有界不确定多时滞系统模型，求取了系统稳定的时滞边界。
　　（4）基于对不确定性参数空间的分析，研究了凸多面体不确定性数学描述的建模思路，用凸多面体模型方法构建了飞机故障模型集，给出了飞机故障模型集映射到凸多面体参数空间的映射机制，搭建了以凸多面体的顶点描述飞机典型故障状态的统一的飞机凸多面体故障模型，实现了通过凸多面体模型线性内插的当前故障状态的快速匹配。
　　（5）研究了具有凸多面体不确定性时滞系统的鲁棒控制方法。首先采用基于参数依赖 Lyapunov稳定性方法分别给出了时滞相关的渐进稳定充要条件以及相应的控制器设计方法；其次考虑了飞行总线的数据传输特性，研究了具有凸多面体不确定性的闭环网络化飞行控制系统的鲁棒镇定控制器的设计方法；最后研究了完成飞机故障模型集映射的凸多面体故障模型的系统稳定性分析和鲁棒容错控制器设计。
　　（6）针对跟踪问题的重要性及目前网络化飞行控制系统跟踪问题还未引起研究者关注的情况，根据跟踪控制理论研究了网络化飞行控制系统和不确定网络化飞行控制系统的跟踪控制问题，综合分析了网络诱导时滞、系统不确定性和外界扰动因素对飞行跟踪控制系统的影响，建立了包含跟踪误差的增广系统，基于新建的扩展系统定义新的Lyapunov函数，采用LMI技术，分析了网络化飞行控制系统的H?输出跟踪性能，设计了满足鲁棒H?性能指标的鲁棒H?跟踪控制器。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究的背景及意义

1.2 不确定系统鲁棒控制概述

1.3 网络化控制系统概述

1.4 网络化控制系统与网络化飞行控制系统共性和特性分析

1.5 论文的研究内容及创新点

1.6 论文章节安排

2 系统不确定性模型分析

2.1 引言

2.2 系统不确定性的模型化分析

2.3 系统不确定性模型的数学描述

2.4 系统不确定性综合模型的建立

2.5 本章小结

3 网络化飞行控制系统时滞特性研究及稳定性分析

3.1 引言

3.2 飞行控制系统时滞分析与组成

3.3 时滞相关稳定性理论及其引理

3.4 网络化飞行控制系统最大允许时滞边界及稳定性分析

3.5 基于总线传输的飞行控制模型控制器设计

3.6 仿真算例及分析

3.7 本章小结

4 范数有界不确定网络化飞行控制系统时滞鲁棒控制研究

4.1 引言

4.2 范数有界不确定性时滞系统的稳定性分析及控制器设计

4.3 具有执行器故障的范数有界不确定时滞系统的稳定性分析及控制器设计

4.4 具有传感器故障的范数有界不确定时滞系统的稳定性分析及控制器设计

4.5 范数有界不确定网络化飞行控制系统时滞鲁棒稳定性研究

4.6 仿真算例及分析

4.7 本章小结

5 凸多面体不确定网络化飞行控制系统时滞鲁棒控制研究

5.1 引言

5.2 凸多面体不确定时滞系统的稳定性分析

5.3 凸多面体不确定网络化飞行控制系统时滞鲁棒稳定性研究

5.4 基于凸多面体飞机故障模型不确定时滞系统的分析与综合

5.5 仿真算例及分析

5.6 本章小结

6 不确定受扰网络化飞行控制系统的时滞鲁棒稳定性及跟踪控制研究

6.1 引言

6.2 受扰时滞系统的稳定性分析

6.3 不确定受扰时滞系统的鲁棒H?控制

6.4 网络化飞行控制系统的H?跟踪控制

6.5 不确定网络化飞行控制系统的H?跟踪控制

6.6 仿真算例与分析

6.7 本章小结

7 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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