[发明专利]三自由度直升机的连通图显式模型预测控制方法

说明书

三自由度直升机的连通图显式模型预测控制方法，包括：步骤1)对三自由度直升机建模，得到其模型预测控制问题(MPC)，并转化为多参数规划(MP‑QP)问题，也就是离线计算时要求解的问题；步骤2)引入临界域，有效束集以及连通图的概念；步骤3)对连通图求解算法进行初始化，得到一个初始临界域及其最优有效集；步骤4)判别有效候选集的可行性；步骤5)对于可行的有效候选集，通过计算得到临界域与控制律；步骤6)利用连通图生成新的候选集合，重复步骤4‑6直到产生所有解；步骤7)三自由度直升机系统连通图显式模型预测控制；本发明提出了连通图显式模型预测控制方法，提高了离线计算的速率，同时又保证了系统的良好的控制性能。

技术领域

本发明涉及一种基于连通图的显式模型预测控制方法，应用于飞行器优化控制领域，为飞行控制器提供了优化控制方法。

背景技术

直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，极大的拓展了飞行器的应用范围。其突出特点是可以做低空(离地面数米)、低速(从悬停开始)和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援等。在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等。在对直升机进行控制时，选择良好的控制策略至关重要，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(MPC)方法是一种非常有效的方法，主要包含三要素：内部(预测)模型、滚动优化、反馈控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。因此它具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束。但传统的模型预测控制有个很大的缺点就是只适用于慢速过程，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。

显式预测控制是Bemporad等人在2002年提出来的一种面向小规模控制命题的快速MPC算法。主要思想是通过参数规划的思想，将优化求解的在线计算放到离线进行，从而提高在线计算的速度。传统的显式模型预测控制在求解多参数规划(MP-QP)问题时，通常是基于几何的求解法，即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)，最后得到的参数解就是上述各个状态临界域与其对应的控制律；但该方法也有其局限性，它一方面必须要考虑临界域之间是否满足相邻面性质，另一方面又需要对步长进行合理设定，同时还要对所有的约束集合逐个进行判别，因此求解问题的计算效率不高。

发明内容

本发明为了克服现有技术的上述缺点，提出了一种基于连通图的显式模型预测控制方法，通过引入图论中连通图的概念，将每个临界域的有效约束集作为连通图的节点，设立连通条件，能够快速得到所有临界域对应的最优有效集，提高了离线计算的求解效率。

在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。但传统的显式模型预测控制在求解多参数规划问题时，采用的是几何法，需要预先设定好步长，也要必须对临界域的相邻面属性进行判断，同时要对所有的约束集合进行一一判别，找到其中的有效约束集合，还要排除很多无效的约束集合，当输入个数增大或者控制时域变长时，会给计算带来比较大的负担。