[发明专利]一种无人直升机回路成形全包线飞行控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体的说是一种无人直升机H_∞回路成形全包线飞行控制方法。

背景技术

无人直升机系统具有高阶非线性、静不稳定性及轴间高度耦合等特点，需要飞行控制系统的辅助以完成对其的操作，现代无人机要求高机动、大迎角、全包线飞行，而且还要求在复杂的环境中保证稳定性和良好的飞行性能。无论是经典控制理论还是现代控制理论，都难以在实际应用中获得理想的控制效果，在目前的无人机内外回路设计方法中，内回路提供稳定和解耦，外回路则注重控制效果，现有的解耦方法很多，但是大都需要精确模型，从而导致系统复杂度大大提高。

H_∞控制能有效地解决不确定性问题，传统的H_∞控制方法受被控对象右半开平面极点数的限制，可能存在名义系统和H_∞控制器的零极点对消，而H_∞回路成形方法能很好地解决这一问题不受被控对象右半开平面极点数限制，形成无零极点对消的H_∞控制器，继承了经典回路成形设计思想，具有更好的操作性。为了解决无人机系统设计中遇到的不确定性问题，依据H_∞鲁棒控制理论，采用回路成形方法，设计无人机鲁棒控制器。因此，本发明提出将H_∞回路成形应用于无人机内外回路设计中，为解决无人机系统存在的扰动和模型不确定的技术问题提出新的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供一种无人直升机H_∞回路成形全包线飞行控制方法，从而能够有效解决现有技术无人机系统存在的扰动和模型不确定等技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无人直升机H_∞回路成形全包线飞行控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：回路成形设计，对于H_∞回路成形基本结构，设置加权对角阵W₁和 W₂加权配置后成形的开环传递函数阵为：

G_s＝W₂GW₁，

并设计H_∞控制器K_∞(s)阵，使[d,v]^T到误差[z₁,z₂]^T的传递函数阵的H_∞范数的倒数达到最大；即，

也即，

其中，G为被控对象模型，G_s为加权配置后的对象模型，W₁和W₂针对不同的对象得出不同的矩阵，d为扰动输入，v为控制输入，z₁为扰动输入下的输出， z₂为控制输入下的输出误差，∈可表征系统的稳定裕度；

直接按照上式求解K_∞得出H_∞控制器K_∞(s)；

步骤S2：基于所设计的H_∞控制器K_∞(s)分别设计内回路控制器和外回路控制器，以用于全包线飞行控制。

优选地，被控对象矩阵G所对应的状态方程为：

上式中的状态量其中，Δx,Δy,Δz分别表示机体轴系X,Y,Z轴向的速率，Δv_x和Δv_y分别表示前飞速率和侧飞速率，Δθ表示俯仰姿态角，Δφ表示横滚姿态角，Δv_z表示垂直轴速度和表示偏航角速率；控制变量ΔU＝[Δδ_e,Δδ_a,Δδ_c,Δδ_r]^T，其中，Δδ_e,Δδ_a,Δδ_c,Δδ_r分别表示纵向周期变距、横向周期变距、总距和尾浆距；状态A_a阵将为10×10矩阵，控制阵B_a为10×4 矩阵。

优选地，内回路控制器用于提供稳定与解耦，选取Δθ,Δφ,Δv_z,这四个变量的控制通道为内回路，也即，将俯仰姿态角，横滚姿态角，垂直轴速度和偏航角速率作为被控制量。