基于预测控制的微型共轴无人直升机飞行控制研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：基于预测控制的微型共轴无人直升机飞行控制研究作者：柯吉学科专业：控制科学与工程指导教师：王伟2015年4月ModelPrediction-basedSolutionstoFlightControlofMCUHByKeJiUndertheSupervisionofProfessorWangWeiADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForth

2、edegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaApril2015西北工业大学博士学位论文摘要摘要在众多转子配置的旋翼机型中，微型共轴无人直升机（MiniatureCoaxialU-nmannedHelicopter，MCUH）因其紧凑的设计结构、稳定的前向飞行速度和较大的载荷尺寸比赢得了世界范围内的科研工作者的青睐。然而，MUCH是典型的不稳定、强耦合和欠驱动的高阶非线性系统，这一特性给它的飞行控制带来很大的挑战。因此，针对MCUH实现飞行控制的相关问题进行研究具有重大的科学意义。本论文采用理论分

3、析和数值仿真结合的方式，围绕MCUH的飞行控制展开研究。主要工作和取得的成果简要叙述如下：为了充分了解MCUH物理特性和对其进行精确仿真，首先依据牛顿-欧拉刚体动力学方程，考虑直升机各机械部件在运动过程中产生的力和力矩，建立了结构化的非线性模型。考虑到目前建立的MCUH模型阶次普遍较高，而这不利于控制器设计，论文首先对模型进行了简化研究。简化的模型充分反映低转子动力学，并用一集中参数模型对上转子和平衡杆进行等效。论文进一步对简化模型的有效性进行时域验证，结果表明模型简化前后响应一致；与已有相关文献中建立的模型相比，本论文的简化模型阶

4、次降低，物理意义明显。第二部分针对MCUH系统，研究了直升机近悬停低速段稳定飞行控制问题，提出了一种代数学方法来设计控制器。该方法通过配置期望的系统特征多项式来获得闭环控制性能，进而设计简单和鲁棒的控制器。针对以往研究中存在系统特征多项式系数难于选取的问题，本论文给出了一种周期地选取系统特征多项式系数的原则，所设计的控制器能使系统获得较好的暂态响应。利用现代控制MIMO反馈策略，将传统的基于SISO控制系统的多项式设计方法拓展到MIMO系统控制器的设计中，扩大了该方法的应用范围。最后，通过对设计的控制系统进行性能评估验证了该方法的有

5、效性。在第三部分，针对直升机的稳定飞行控制有约束的问题，从工程实现角度提出了一种基于非线性型预测控制（NonlinearModelPredictiveControl,NMPC）的控制综合策略。利用导航和姿态回路动态特性的差异，将传统单一集成的NMPC导航控制回路分解成两个子回路：NMPC导航回路和线性姿态控制内回路。其中，NMPC以分段常值的方式工作在外回路，其目的是通过扩展预测域长度来增加可用的在线优化时间并且减轻计算量。在内回路，利用线性控制器来实现姿态增稳，同时以扰动的形式补偿NMPC的低频带。与传统NMPC控制策略相比，这种

6、控制策略的计算量明显减少。最后通过理论分析和数值仿真证实了该控制策略的稳定性。最后一大部分是针对MCUH飞行控制的两个典型应用（航迹跟踪和航迹跟I西北工业大学博士学位论文摘要随），分别在第五章和第六章提出各自对应的基于优化的控制方案。同样考虑到约束的存在，在这两个方案中都采用了MPC技术。针对MCUH航迹跟踪控制，提出了一种快速MPC设计方法。利用系统的微分平坦特性，得到了近似直升机非线性动力学的LTV模型，然后将传统输出航迹跟踪NMPC问题转化为LTV-MPC优化问题，从而降低了问题的复杂度。论文进一步将传统仅限于渐近定常航迹跟踪

7、问题拓展到时变航迹跟踪问题。为确保航迹跟踪误差系统的指数渐近稳定，设计了反馈控制律和Lyapunov函数，并采用了依赖于系统状态的终端罚值，以确保跟踪误差的收敛。最后通过数值仿真，并与本论文中的代数学方法和第三部分的NMPC方法进行对比，证实了这种方法的快速性和可行性。论文针对MCUH航迹跟随控制，设计了一种采样数据的连续时间NMPC控制器。与以往研究中将参考航迹描述成水平集不同，我们直接利用参数化的参考航迹，使用一种包含航迹误差动力学和航迹参数动力学子系统的增稳系统来描述和分析航迹跟随问题，该方案的优势就是对航迹的稳定性进行直接处

8、理。通过允许任意小的渐近跟随误差的存在，论文利用一非线性辅助控制律，并借助Lyapunov技术，将增稳系统的稳定控制问题转化成基于Lyapunov约束的NMPC问题；随后从稳定分析的角度，利用局部控制Lyapunov函数设计了确保系统