多螺旋桨组合浮空器非线性PID和多胞LPV鲁棒控制器设计

摘要

传统飞艇一般为流线型外形，其主要执行机构为推力和气动舵面，具有前向阻力系数较小，操纵配置简单的特点，但也存在着侧向抗风能力较弱，低速飞行条件下舵面效率较低的问题。本文所研究的多螺旋桨组合浮空器具有特殊外形，可有效的增强浮空器侧向抗风能力，同时采用全矢量推力配置，可以保证浮空器在低速飞行条件下仍然具有很强的操纵能力。本文以该浮空器为对象，进行了多螺旋桨组合浮空器的控制系统设计和控制方法研究，主要研究内容如下：
　　采用机理分析法对浮空器进行受力分析，建立了浮空器的非线性动力学方程；采用小扰动线性化的方法对非线性模型进行了线性化处理，获得浮空器解耦的纵向和横侧向运动模型。所建立的模型为后续控制问题的研究提供依据。
　　基于浮空器的非线性模型，采用PID方法设计了系统的内、外环控制器；考虑到系统执行机构冗余配置的特点，采用动态逆方法实现执行机构的合理分配；给出了浮空器直接和间接两种位置控制方案。仿真结果表明两种方案均可以实现位置控制，但是在控制精度、响应时间和耗能方面存在着不同。
　　基于系统纵向运动的线性变参数（LPV）模型，通过高阶奇异值分解（HOSVD）的方法获得了系统多胞LPV模型；采用H∞状态反馈方法对多胞模型的顶点设计了满足性能要求的控制器，并实现了控制器的变增益调度。该设计方法从理论上保证了控制器的稳定性，给出速度跟踪仿真结果，验证了控制器的有效性。
　　本论文的研究结果用于该浮空器实际飞行控制系统设计中，并进行了飞行试验，验证了所设计方案的合理性和设计方法的有效性。

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第一章 绪论

1.1浮空器特点与优势

1.2浮空器研究现状介绍

1.3多执行机构控制研究现状

1.4 LPV模型与控制研究现状

1.5课题研究内容和意义

1.6本章小结

第二章 多矢量推力浮空器数学模型

2.1浮空器总体介绍

2.2浮空器受力分析

2.3运动方程的线性化

2.4本章小结

第三章 基于非线性模型的PID和动态逆控制器设计

3.1逆系统的基本概念

3.2控制系统结构设计

3.3基于PID的跟踪控制器设计

3.4基于动态逆的控制分配模块设计

3.5仿真结果分析

3.6本章小结

第四章 基于LPV模型的鲁棒控制器设计

4.1 LPV系统介绍

4.2 LPV模型的多胞模型转换

4.3基于LPV的状态反馈控制器设计

4.4基于LPV自增益调度控制器设计

4.5仿真结果分析

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1主要工作与成果

5.2后续研究工作

参考文献

致谢

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