[发明专利]一种欠驱动VTOL飞行器的自耦PD控制理论方法

说明书

针对非最小相位欠驱动垂直起降(VTOL)飞行器的控制难题，本发明提出了一种自耦PD(ACPD)控制理论方法。首先通过坐标变换使VTOL飞行器的质心映射为Huygens振动中心；然后对Huygens振动中心分别设计纵横向位置的ACPD控制器，并分别获得VTOL飞行器底部推力和滚转姿态角虚拟指令，进而设计滚转姿态角的自耦PD控制器形成滚转力矩，从而实现VTOL飞行器系统的位置跟踪控制；最后通过复频域分析理论证明闭环控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性。理论分析和仿真结果都表明了本发明的有效性，在非最小相位欠驱动VTOL控制系统领域具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

技术领域

非最小相位欠驱动非线性系统控制，飞行器控制。

背景技术

垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)飞行器因其起飞距离短和垂直起降的性能，因而在军用与民用领域都具有极其重要的作用，已经成为各国争相研究的飞行器对象。由于VTOL飞行器存在三个运动自由度却只有两个控制输入，因而是一个典型的欠驱动系统。由于VTOL飞行器不仅具有欠驱动特性和非线性耦合特性，而且还是一个非最小相位系统，因而使其控制问题变得更为复杂，引起了控制领域许多国内外学者的广泛关注。迄今为止，有关VTOL飞行器的控制方法主要有：状态反馈控制方法、反演(backstepping)控制方法、动态面控制方法、滑模控制方法以及逆最优反馈控制、双闭环PID控制方法、非线性信息融合控制方法等。尽管现有这些控制方法都获得了有效的控制结果，然而状态反馈控制方法存在动态品质与稳态性能欠佳的局限性；Backstepping控制方法存在微分爆炸的局限性；动态面控制、滑模控制、逆最优反馈控制以及非线性信息融合控制等控制方法均存在结构复杂、计算量大的局限性；而双闭环PID控制方法则存在增益鲁棒性差与抗扰动鲁棒性差的局限性。

为了有效改善欠驱动VTOL飞行器控制系统的动态品质与稳态性能、减小计算量、提高实时性、增强控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性，当务之急是发明一种控制器结构简单、参数整定容易、控制系统动态品质与稳态性能良好、抗扰动鲁棒性强的控制理论方法。

发明内容

本发明提供一种欠驱动VTOL飞行器的自耦PD(Auto-Coupling Proportional-Differrenttial，ACPD)控制理论方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据VTOL飞行器质心坐标的期望轨迹x_1d、x_3d和期望滚转姿态角x_5d＝0，可得Huygens振动中心坐标的期望轨迹为：

z_1d＝x_1d-ε sin x_5d＝x_1d，z_3d＝x_3d+ε cos x_5d＝x_3d+ε

其中，ε₀是滚转力矩对横向与纵向运动的耦合作用系数，m和J分别是VTOL飞行器的质量和沿纵向轴的转动惯量；

2)根据步骤1)计算横向位置跟踪误差及其误差微分：

e₁₁＝z_1d-z₁，

其中，z₁＝x₁-ε sin x₅，x₁和x₅分别是VTOL飞行器的横向位置与滚转姿态角，

3)根据步骤2)定义横向位置ACPDy控制器为：

其中，z_cy0是ACPDy控制器的速度因子；

4)根据步骤1)计算纵向位置跟踪误差及其误差微分：