空中无人飞艇的建模与控制方法研究

摘要

该文以中国平流层通信平台的预研项目为背景,对项目第一阶段的验证飞艇,即空中无人飞艇的建模和控制问题展开了研究.作为研究控制问题的基础,飞艇数学模型的建立是必要和关键的,这对于控制策略的制定、控制系统的设计都有着重要意义.考虑到在飞艇研制的初期,缺乏实验数据,所以该文采用机理分析的方法,在详细分析飞艇受力情况的基础上,依据理论力学原理和运动参数之间的几何关系分别建立了飞艇的动力学方程和运动学方程,共同组成了完整的六自由度非线性运动方程作为飞艇的动态模型,并且对该模型进行了线性化和分组处理,以作为研究飞艇控制问题的基础.仿真结果印证了这种处理的正确性.在研究飞艇的控制方案之前,该文对飞艇本身的运动特性进行了研究,根据线性化模型分析了飞艇的运动稳定性和动态性能.为了提高系统的鲁棒性,该文采用基于LMI的方法对姿态控制系统进行了设计,并对所设计系统进行了有约束的多目标优化.该文以非线性模型为对象,分别设计了两种类型的飞艇定点控制系统.其一是采用遗传算法寻优的最短时间开环控制系统,其二是采用反馈线性化方法设计的闭环控制系统.