[发明专利]三自由度直升机的多尺度近似显式模型预测控制方法

说明书

三自由度直升机的多尺度近似显式模型预测控制方法，包括如下步骤：步骤1)对三自由度直升机建模，得到参数优化问题，也就是下文要近似的对象；步骤2)分段线性插入法，初步得到一种近似控制律；步骤3)自适应分层函数近似，转化近似控制律的形式；步骤4)引入重心函数利用重心插值得到基于重心函数的近似控制律；步骤5)三自由度直升机系统多尺度近似显式模型预测控制；本发明提高了三自由度直升机控制系统的实时性，减低了控制复杂度，减少了控制器存储容量的需求，节省了在线计算时间，且拥有良好的控制效果。

技术领域

本发明涉及一种飞行控制器的优化控制方法。

背景技术

随着社会的发展，交通工具种类变得越来越多，其中飞行器由于其独特的优势受到了社会广泛关注，世界各国都在该领域加大投入，它的发展也关系着国家安全和实力的体现。其中直升机在各类飞行器中较为特殊，它能够快速起飞、降落，能够适应较困难的环境，那么相对传统的控制器而言，优化的控制器变得尤为重要，在系统正常情况下，确保系统正常运行并降低计算成本，同时提高了系统性能指标是系统评估、分析的关键。

对于处理多变量约束最优控制问题，模型预测控制方法是一种非常有效的方法，经过多年的研究与探索，取得了长足的发展并得到广泛应用。模型预测控制采用了预测模型，滚动优化，反馈校正和多步预测等新的控制策略，使得它能在一定程度上有效的抑制系统模型的不精确和外界干扰对于系统控制性能的影响。但模型预测控制有个很大的缺点就是模型预测控制只适用于慢速过程，在处理速度较快的领域有相当大的局限性。为此研究人员提出了显式模型预测控制。

显式模型预测控制(Explicit Model Predictive Control)引入了多参数规划理论，对系统的状态区域进行凸划分，并建立对应每个状态分区上的优化问题的最优控制律与状态之间的显式函数关系(为状态的线性控制律)；但该方法也有其局限性，它只适用于约束性的系统，并且复杂度会随着问题规模的增大而呈指数增加，即当输入个数增多或者控制时域变长时就需要很大的存储空间，这让处理问题的难度也进一步变大。

发明内容

本发明为了克服现有飞行器的优化控制方法的上述缺点，提出了一种三自由度直升机的多尺度近似的显式模型预测控制方法。

本发明方法通过对状态分区进行高度的网格化处理，使得在线查找变得十分便捷。在利用显式模型预测控制进行控制时，不用在线进行求解优化问题，离线计算好各个状态分区的控制律，在线查找到当前系统状态所在的分区，就能确定当前参数的最优控制量。但当输入个数增大或者控制时域变长时，复杂度会呈指数增长，使得处理问题难度变大。针对该缺点，本发明提供一种新的多尺度近似方法，通过求近似解的思路，将求好的状态分区进行高度的网格划分，同时也可以通过设置层级来限制状态分区的数量，方便了后期的在线查找，从而克服显式模型预测控制存在的缺陷。

多尺度近似显式预测模型控制方法算法上以显式模型预测控制方法为基础，引进了分段线性插值和自适应分层函数近似方法，并结合重心坐标和重心插值方法。通过分段线性插入法对状态子空间进行分格，用基函数描述网格点，采用的适时的描点，刚开始先大致的划分子空间，用分层基函数再对那些还没有足够近似化的区域进行再划分，这样连续不断的层层划分下去，直到所有的区域都被近似化，最后得到基于分层明细指数的一个近似控制律。为了方便处理高维问题，又引入自适应分层函数近似法，将近似的控制律适当变形得到另一种形式的近似控制律，最后引入重心函数和重心函数插值的方法用于对近似控制律的可行性和稳定性的证明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面就对本发明的技术方案作进一步描述。三自由度直升机的多尺度近似显式模型预测控制方法，包括如下步骤：

步骤1)对三自由度直升机系统进行建模，得到三自由度直升机性能指标函数；

三自由度直升机系统空间状态方程为：