基于LQG/LTR方法的飞行控制系统设计与仿真

摘要

在控制系统的设计中，由于未建模动态特性会使系统不稳定，而诸如阵风、传感器测量噪声等干扰的存在也常导致系统性能不佳，所以一个众人普遍关注的问题是设计具有良好的稳定及性能鲁棒性的控制器。线性二次型高斯/回路传递复现(LQG/LTR)是一种多变量频域设计方法，本文中应用该方法设计了鲁棒反馈控制系统。仿真结果与验证分析表明，其具有良好的鲁棒性以及解耦特性。 1.由于频域中的经典鲁棒设计概念通常应用于单输入单输出系统，所以本文首先通过引用奇异值的概念将其拓展到多变量系统之中。然后，研究卡尔曼滤波器以及状态反馈控制律的设计，保证它们均具有很好的性能；并依据分离定理将其结合设计LQG控制器。本文接着阐述了如何应用改进的LTR方法使原LQG设计中所得到的性能能够完全复现。 2.应用LQG/LTR方法设计了具有鲁棒性的飞行控制系统。对飞机纵向、侧向一组典型的飞行模态(俯仰姿态保持、高度保持、纵向着陆、协调转弯、给定航向和侧向偏离修正)进行了设计与仿真。以具体实例阐述设计的具体步骤，在频域以及时域中均获得了期望的特性。 3.对LQG/LTR与PID方法所设计的控制器进行了比较。仿真结果表明，当系统受到风干扰的影响时LQG/LTR控制器具有很好的性能；与PID控制器相比较，尤其是在控制系统通道之间存在耦合的情况之下，其优越性是相当明显的。同时，应用LQG/LTR方法选择参数的计算代价是相对较小。 4.最后部分，开发了界面良好、操作方便的飞行控制律设计软件包。 本文中所作的研究，证实了LQG/LTR控制器能够有效地达到期望的控制要求，为飞行控制系统的实际应用提供了一种可行的方法。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1选题背景

1.2 LQG/LTR方法概述

1.3本文主要研究内容

第二章数学基础

2.1概率原理简述

2.2矩阵的奇异值分解

2.3 RICCATI方程的推导与求解

第三章控制方法研究

3.1多变量频域技术

3.1.1灵敏度与补灵敏度

3.1.2频域性能指标

3.2观测器设计

3.3卡尔曼滤波器

3.4基于分离定理的动态调节器设计

3.5线性二次型调节器的稳定裕度

3.6回路传递复现法(LTR)

第四章基于LQG/LTR方法的飞机纵向模态控制律设计与仿真

4.1飞机纵向运动方程

4.2俯仰姿态保持模态控制系统设计

4.3高度保持模态控制系统设计

4.4纵向着陆模态控制系统设计

4.4.1纵向着陆描述

4.4.2纵向着陆仿真

第五章基于LQG/LTR方法的飞机侧向模态控制律设计与仿真

5.1飞机侧向运动方程

5.2协调转弯模态控制系统设计

5.3航向给定模态控制系统设计

5.4侧向偏离模态控制系统设计

第六章控制方法的鲁棒性仿真验证

6.1纵向模态的鲁棒性仿真验证曲线(LQG/LTR)

6.1.1俯仰姿态保持模态

6.1.2高度保持模态

6.1.3纵向着陆模态

6.2侧向模态的鲁棒性仿真验证曲线(LQG/LTR)

6.2.1协调转弯模态

6.2.2航向给定模态

6.2.3侧向偏离模态

6.3纵向模态的鲁棒性仿真验证曲线(PID)

6.4侧向模态的鲁棒性仿真验证曲线(PID)

6.5鲁棒性仿真验证分析

6.5.1纵向模态鲁棒性仿真验证分析

6.5.2侧向模态鲁棒性仿真验证分析

第七章基于LQG/LTR方法的飞行控制律界面设计

7.1控制界面使用指南

7.2控制界面扩充

总结与展望

参考文献

在校期间发表的学术论文与研究成果

致谢