縱向飛行模型簇人機閉環復合頻率魯棒控制器設計方法
【專利摘要】本發明提供了一種縱向飛行模型簇人機閉環復合頻率魯棒控制器設計方法，該方法在給定不同高度、馬赫數條件下通過掃頻飛行試驗直接確定獲得全包線內的幅頻和相頻特性構成的模型簇；根據飛行包線內的幅頻特性直接確定開環截止頻率區間；根據飛行包線內的相頻特性直接確定與截止頻率區間所對應的相位裕度區間；通過加入多級串聯滯后—超前補償環節控制器并在飛行器全包線內的相位裕度指標和系統辨識中的模型辨識方法確定補償環節個數和參數值；在飛行器全飛行包線內的幅值裕度指標分貝數給定情況下進行控制器效果驗證；從相位裕度和幅值裕度的概念出發設計出符合全飛行包線的無駕駛員誘發振蕩、超調量小、平穩的低空飛行魯棒控制器。
【專利說明】縱向飛行模型簇人機閉環復合頻率魯棒控制器設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種飛行器控制器設計方法，特別涉及縱向飛行模型簇人機閉環復合頻率魯棒控制器設計方法，屬于測控技術和飛行力學等范疇。
【背景技術】
[0002]飛行器起降過程的控制對飛行安全有重要作用；由于飛行器起降過程中飛行速度變化大，即使按照縱向模型也會面臨強非線性問題；另一方面，飛行器的操縱舵存在飽和、死區等現象；從飛行安全考慮，超低空飛行(如飛機起飛/著陸)時，控制器必須保證系統具有一定的穩定裕度、無超調和平穩性，這樣，就使得超低空飛行控制器設計非常復雜，不能直接套用現有控制理論進行飛行器控制的設計。
[0003]在現代實際飛行控制器的設計中，一少部分采用狀態空間法進行設計，而大多數仍然采用以PID為代表的經典頻域法和逆Nyquist陣列法為代表的現代頻率法進行控制器設計。現代控制理論以狀態空間法為特征、以解析計算為主要手段、以實現性能指標為最優的現代控制理論，而后有發展了最優控制方法、模型參考控制方法、自適應控制方法、動態逆控制方法，反饋線性化方法、直接非線性優化控制、變增益控制法、神經網絡控制方法，模糊控制方法，魯棒控制法以及多種方法組合控制等一系列控制器設計方法，發表的學術論文數以萬計，例如2011年Ghasemi A設計了自適應模糊滑模控制的再入飛行器(GhasemiA，Moradi Mj Menhaj M B.Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control Design for a Low-LiftReentry Vehicle[J].Journal of Aerospace Engineering, 2011，25 (2):210-216)，2013年Babaei A R為非最小相位和非線性飛行器設計了模糊滑模控制自動駕駛儀(Babaei A R, Mortazavi M, Moradi M H.Fuzzy sliding mode autopilot designfor nonminimum phase and nonlinear UAV[J].Journal of Intelligent and FuzzySystems, 2013，24(3):499_509)，很多研究僅僅停留在理想化的仿真研究階段；而且這種設計存在三個問題:(I)由于無法進行飛行器超低空操縱穩定性試驗，難以得到精確的被控對象的數學模型；(2)對于軍標規定的穩定裕度等評價飛行控制系統的重要性能指標，狀態空間法遠不像經典頻率法那樣能以明顯的形式表達出來；(3)控制器結構過于復雜、沒有考慮實際控制器和飛行狀態的約束，設計的控制器物理上不可實現。
[0004]英國的學者Rosenbrock系統地、開創性地研究了如何將頻域法推廣到多變量系統的設計中去，利用矩陣對角優勢概念，把多變量問題轉化為能用人們熟知的古典方法的單變量系統的設計問題，以后相繼出現了 Mayne序列回差法，MacFarlane特征軌跡法、Owens并矢展開法等方法，共同特點是把多輸入一多輸出、回路間嚴重關聯的多變量系統的設計，化為一系列單變量系統的設計問題，進而可選用某一種古典方法(Nyquist和Bode的頻率響應法，Evans的根軌跡法等)完成系統的設計，上述這些方法保留和繼承了古典圖形法的優點，不要求特別精確的數學模型，容易滿足工程上的限制。特別是當采用有圖形顯示終端的人一機對話式的計算機輔助設計程序實現時，可以充分發揮設計者的經驗和智慧，設計出既滿足品質要求，又是物理上可實現的、結構簡單的控制器；國內外對多變量頻率法進行了改進研究(高大遠，羅成，沈輝，胡德文，撓性衛星姿態解藕控制器多變量頻率域設計方法，宇航學報，2007，Vol.28(2)，pp442-447 ;熊柯，夏智勛，郭振云，傾斜轉彎高超聲速巡航飛行器多變量頻域法解耦設計，彈箭與制導學報，2011，Vol.31(3)，pp25-28)但是，這種設計方法可考慮系統不確定問題時保守性過大，在飛行器操縱舵限制情況下不能得到合理的設計結果。
[0005]在高性能飛機的研制中，評價一架飛機飛行品質的好壞，不僅取決于飛機本身和駕駛員操縱的動力學特性，還取決于駕駛員與飛機之間高度一致地配合，以及駕駛員與先進飛機飛行控制系統之間功能分配的合理性。直到1980年后，評價飛機飛行品質的美軍標仍然存在著嚴重缺陷，即沒有考慮駕駛員在操縱回路中的作用，因而由此所得的評價與試飛員試飛后所得的結果仍有一定差距。近年來，正在發展一種有駕駛員參與系統的閉環準則(尼爾2史密斯準則)，但如何實現至今仍無有效算法。尼爾一史密斯準則是在1970年提出的，它是一個閉環俯仰跟蹤準則。它考慮問題的方法是:在駕駛員駕駛飛機時與飛機構成一個閉環系統，駕駛員輕松地操縱就能達到特定的飛行指標，則飛行品質是好的。為了獲得與駕駛員一致的對飛機的評價意見，則在理論分析中必須把駕駛員包括在內。通常，駕駛員行為的數學模型是非線性的，可能是離散的，但當研究具有穩定性的操縱對象時，有用的近似模型仍為線性。由大量飛行實踐和仿真研究表明，駕駛員的行為由他的心理特性、生理特性、周圍環境、操縱系統、操縱對象所要完成的任務來決定，盡管駕駛員有著各自的特點，但在完成單一的飛行任務中，大多數駕駛員的動作可由完全確定的數學模型來描述，它是駕駛員行為的大量試驗的平均狀態，與實際情況很接近，因此現在大都采用如下形式的人機閉環特性駕駛員模型:
【權利要求】
1.一種縱向飛行模型簇人機閉環復合頻率魯棒控制器設計方法，其特點是包括以下步驟: 1)給定不同高度、馬赫數下通過掃頻飛行試驗直接由允許飛行的全包線內的幅頻和相頻特性構成飛行器全包線內的升降舵與飛行高度之模型簇，對應的飛行器升降舵與飛行高度之間開環傳遞函數簇描述為:
【文檔編號】G05B13/04GK103809454SQ201410070275
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】史忠科 申請人:西安費斯達自動化工程有限公司