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1、基于QFT的鲁棒飞行控制器设计/o第18卷第4期2000年l2月飞行力学FLIGHTDYNAMICSVoI_18No.4Dec.2000文章编号:1002-0853(2000)04-0037-04基于QFTv,,华1的鲁棒飞行控制器设计李中健,安锦文J_---●-●_一●_-●__--_一(西北工业大学自动控制系,陕西西安710072)摘要:首先对定量反馈控制理论及其发展进行了介绍,并指出了其所鸵解决的同题,以及控制器的一般求解步骤.接着讲述了鲁棒控制中的灵敏度设计方法,讨论了基于QFT的鲁棒灵敏度设
2、计思路.最后以某型号飞机为算例,采用QFT方法设计了鲁棒控韵律,计算和仿真结果说明了定量反馈控箭理论是一种设计鲁棒飞行控{}I雄的有效方法.美-词:室量垦塑笙理论混合灵戢度,飞行控制舞引言中圈分类号:V249.122文献标识码A酱裤定量反馈理论(QFT)是由美国加州大学的Horowitz教授及其台作者提出的一种基于颡率响应的控制系统设计方法[1].它可以用于带有很大结构不确定性的单变量系统,多变量系统以及各种非线性系统和时变系统的鲁棒设计.这种方法既可以用于最小相位系统的设计,也可以用于非最小相位系统
3、的设计.QFT方法提出了很久,但过去并未引起很高的重视.近年来,控制界重新对QFT方法发生了兴趣.近几年ACC和CDC会议都不断有关于QFT应用的文章出现,特别是关于飞行控制系统设计的文章占大多数QFT的设计目标主要针对参数变化的对象,其中参数的具体值不需要知道,但需知道参数的变化范围,设计控制器使得用环系统稳定并且满足一定的性能指标.由于飞机的气动参数随高度和马赫数的变化而变化很大,并且存在扰动和未建模动态的影响,因此飞行控制系统的设计必须具有鲁棒性.1定量反馈理论图1给出了QFT标准二自由度结构图
4、,其中收稿日期:2000—03—31;修订日期:2000-12—19作者简介:李中健(1970-).男,讲师.博士主要从事飞行控制系统研究觯aFTP为被控对象传递函数,它包含参数不确定性,且不确定的范围巳知;C为系统控制器;F为前置滤波器;Y为系统输出;R为指令输入;D和Dz分别为对象输入和输出干扰信号.设计指标要求在对象不确定及干扰作用下,设计控制器c和F,使用环系统的频率响应位于给定的范围内.DIDz图IQFT标准二自由度控制结构图QFT是利用Nichols图的频率域的鲁棒设计方法].下面以单变量
5、系统为例,说明其设计步骤:(1)设定控制系统的结构,一般结构如图1所示,C(s)主要作用是保证系统能满足鲁棒稳定性的要求,其性能品质可能不很理想,通常需引入前置滤波器F(s)来动态补偿系统的性能.C(s)和F(5)都是线性时不变的(LT1).(2)给定设计性能指标要求,通常是以时域形式给出的,根据时域和频域响应的对应关系,再将其转化为对用环频率响应的上下界函数()和6()的约束,使得系统用环响应函数r,()满足:(joO≤T(j)≤b(jw)(3)计算对象的频率响应模板,根据对象参数的不确定范围,在一
6、固定频率,对象的不确定集合在Nichols凰上构成一封闭的区域,称为对象的38飞行力学第l8卷模板.选择所关心的一组频率点,依次在Nichols图上作出对象的整个模板.(4)构造各种边界曲线,其中最重要的是稳定边界曲线.在控制器c(s)的作用下,闭环系统的传递函数为:mP(5)C()L()J西而式中,L(s)=P()c(),为开环传递函数.这样,在Nichols圈坐标系下L()的模板为对象P(5)模板的平移.对于频率co,,开环传递函数水平移动幅度为C(s)的相位角C(),垂直方向的平移量为控制器c(
7、)的幅值fC(j)I.若忽略c和的不确定性,则闭环的不确定性只取决于P的不确定性.根据闭环跟踪或稳定裕度的要求,可以得出相应的设计要求:M(jco)一lgff≤y其中,IgIL/(1+L)I为Nichols图上等圆的表示方法,,为等肘圆的下界.同时考虑干扰抑制等许多要求,求出抗干扰边界,以及高频边界等.对各个频率处作相应的处理,则可得到各频率下的下界曲线.(5)频率整型(Loopshaping)设计c().频率整型是QFT设计的关键,上一步所求的各种边界共同对频率整型起约束作用.设计c()使开环频率响
8、应位于跟踪边界和抗干扰边界的上方,并且不进入高额边界.这项工作是一个不断试探的图解过程,往往要求设计者有丰富的经验.(6)频率整型设计前置滤波器F().方法与频率整型设计c()基本相同.许多可以转化为标准问题来求解的问题都可以用QFT来设计,并且一些不能转化为标准问题的问题也可以采用QFT.包括:(1)参数不确定对象的鲁棒稳定性控制问题;(2)鲁棒裕度(闭环峰值^)问题;(3)鲁棒输出干扰抑制问题;(4)鲁棒输入干扰抑制问题;(5)鲁棒跟踪问题;46)对
