[发明专利]一种基于滑模的三自由度直升机的鲁棒H∞控制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模的三自由度直升机的鲁棒H_∞控制方法。考虑三自由度直升机飞控系统存在的时滞及范数有界不确定性，针对其内外部扰动，结合滑模控制方法，提出一种鲁棒H_∞控制方法。设计了积分型滑模面，若系统无外部扰动，给出标准滑动模态渐进稳定的充分条件，如存在外部扰动，则系统满足鲁棒H_∞指标，结合滑模控制和自适应边界估计方法，设计控制律使得系统沿着标准滑模面运动。本发明方法通过构造积分型滑模面，使得系统无论是否存在外部扰动都能满足一定的性能指标，通过设计自适应律和滑模控制器，可以使得系统沿着标准滑模面运动，有效提高了三自由度直升机的稳定性，可为具有内外扰动的复杂三自由度直升机飞控系统鲁棒控制器设计提供依据。本发明用于带有定常时滞以及建模不确定性的三自由度直升机的鲁棒控制。

技术领域

本发明涉及一种基于滑模的三自由度直升机的鲁棒H_∞控制方法，属于飞行器鲁棒控制领域。

背景技术

小型无人直升机是一类可垂直起降的、旋翼式自主控制飞行器。根据旋翼的位置及数量，多旋翼直升机主要可分为单旋翼、串联双旋翼、共轴双旋翼及四旋翼四种。旋翼飞行器具有能够在空中快速的改变飞行姿态，任意方向飞行，垂直起降，空中定点悬停，外形尺寸小、雷达发射面积小，飞行安全性高，起飞及着落要求条件简单，架设和接收时间短等很多固定翼飞行器不具备的优点，在战场监视、战术引导、军事侦察、农业生产、消防救助、科学研究等方面得到广泛的应用并受到了各国研究机构、军方以及政府越来越多关注。

旋翼直升机的控制问题是一个非常具有挑战性的任务。它涉及直升机内在不稳定动态、多变量、非线性、强耦合、开环控制器饱和等各种各样的复杂问题，且在飞行过程中会不可避免的遇到风扰、发动机振动等多种不确定因素，因此，对于旋翼直升机的鲁棒控制技术的研究成为了提高其安全性与可靠性的迫切任务。

如图2所示，三自由度直升机可以应用于飞行器控制系统的半实物仿真试验和性能测试等场合，用以模拟横列式直升机，即旋翼机的直升机状态。因此在实验室中，可以通过三自由度直升机来模拟四旋翼飞行器的鲁棒控制。

控制系统理论中研究的重点涉及到鲁棒性问题：在实际系统与模型存在差异时控制器有能力保持稳定性和性能指标。在线性控制领域，鲁棒控制的典型代表是H_∞控制理论和μ方法；在非线性控制领域，鲁棒控制的典型代表是滑模变结构控制。滑模变结构控制是目前非线性控制系统较普遍、较系统的一种综合方法。它的突出优点是滑动模态对于参数摄动和外界扰动等不确定因素具有不敏感性，并且滑动模态的动态品质是可以预先设计的。这种优异的性能对控制系统是十分重要的，目前已被广泛应用于飞控系统中。变结构控制方法以其设计简单且具有优越的鲁棒性这一独特的优势而成为控制理论领域研究的热点之一。

然而，现有方法不能全面考虑实际系统可能存在的诸如时滞、不确定性、扰动等各种因素，对复杂的飞控系统很难有很好的控制效果，因此本发明有很好的实用性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于滑模的三自由度直升机的鲁棒H_∞控制方法，能够有效消除时滞以及被外部扰动带来的负面影响，保持系统对于建模不确定性的不敏感，使得飞行器能够始终保持良好的飞行状态。

技术方案：一种基于滑模的三自由度直升机的鲁棒H_∞控制方法，其特征在于：考虑三自由度直升机飞控系统存在的时滞及范数有界不确定性，针对其内外部扰动，结合滑模控制方法，提出一种鲁棒H_∞控制方法，使得飞行器能够始终具有良好的飞行品质。设计了积分型滑模面，若系统无外部扰动，给出标准滑动模态渐进稳定的充分条件，如存在外部扰动，则系统满足鲁棒H_∞指标，结合滑模控制和自适应边界估计方法，设计控制律使得系统沿着标准滑模面运动。包括如下具体步骤：

步骤1)建立三自由度直升机的数学模型：