基于LADRC的直升机姿态解耦控制及参数整定

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1、2015年11月北京航空航天大学学报November2015第41卷第1l期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．1lhttp：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0710基于LADRC的直升机姿态解耦控制及参数整定吴超1，王浩文“，姜辰2，张玉文2，倪先平1(1．南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京2100162．清华大学航天航空学院，北京1000

2、84)摘要：为满足ADS一33E．PRF所规定的飞行品质，有效克服模型外部扰动的影响，提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的直升机姿态控制策略．建立UH-60A直升机的飞行动力学模型和风模型，并进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性．在增稳反馈回路的基础上，基于单输入单输出的二阶LADRC控制器搭建了UH一60A的姿态解耦控制回路．针对ADS．33E—PRF品质要求，将控制器参数整定转变为时域与频域内的约束优化问题，结合日。综合算法和最速下降算法进行了优化计算．对姿态控制器的控制效果进行了品质评估，并在大气扰动下对姿态保持控制进行了仿真，

3、仿真和品质分析表明基于LADRC的姿态控制系统具有良好的解耦性能和抗扰性．关键词：直升机；姿态解耦；参数整定；线性自抗扰；飞行品质中图分类号：V212．4文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)11—2085—10直升机是一个多输人多输出强耦合的非线性系统．直升机控制器的效果依赖于飞行动力学模型的精度，并易受到外部扰动的影响．为了使直升机拥有较好的飞行品质，控制系统须拥有良好的解耦性和抗干扰．直升机的耦合形式有操纵耦合和状态耦合两种，操纵耦合通常通过前馈矩阵进行解耦，状态耦合则通过输出反馈实现解耦．基于“一拍”实现跟踪的假设，文献[1-4

4、]计算了控制矩阵的逆，针对操纵耦合设计了矩阵形式的显模型跟踪飞行控制系统的内回路．基于传递函数形式的显模型跟踪思想，文献[5-6]在UH．60A的总距、滚转、俯仰和偏航4个通道分别设计了独立的控制器，面向工程考虑了操纵耦合和状态耦合，但是并没有给出各通道之间的耦合系数的计算方法．文献[7]采用极点配置法设计了增稳和解耦控制器．基于悬停状态的降阶模型，文献[8]结合线性二次规划(LQR)和隐模型跟踪，采用极点配置法为阿帕奇直升机设计了解耦补偿器．基于日。回路成形和混合灵敏度问题，文献[9]设计了双回路的控制系统，其姿态控制／姿态保持(ACAH)的内回路控

5、制器用于各通道的解耦．文献[10]采用多目标遗传算法设计的直升机日。鲁棒控制器具有较好的解耦性能．基于状态观测器的反馈和前馈控制律，文献[11]通过求解日。代数黎卡提方程，设计了内回路的姿态控制器，实现了解耦控制并具有较高的飞行品质．直升机系统总是存在着内部不确定性(建模误差)和外部不确定性(大气扰动)¨⋯，因此直升机的控制系统也须拥有一定的综合抗扰能力．通收稿日期：2014—11．17；录用日期：2015-02—13；网络出版时间：2015-04_0214：14网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．201

6、50402．1414．012．html基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)作者简介：吴超(1983一)，男，安徽巢湖人，博士研究生，wuchao—nuaa@163．comm通讯作者：王浩文(1969一)，男，浙江台州人，教授，bobwang@tsinghua．edu．CU，研究方向为直升机动力学、直升机结构强度及振动载荷分析．引用格式：吴超，王浩文，姜辰，等．基于LADRC的直升机姿态解耜控制及参数整定ⅡJ．北京航空航天大学学报，2015，41fjl)：2085—2094．WuC，WangHW，JiangC，eta1．LADRC-ba

7、sedattitudedecouplingcontrolforhelicopterandparameterstuningfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(J1)：2085—2094(inChinese)．2086北京航空航天大学学报2015年过将系统内部不确定性和外部不确定性视为“总扰动”，并构造“扩张状态观测器(ESO)”对“总扰动”进行补偿，文献[13]提出了自抗扰控制(ADRC)．随后基于线性扩张状态观测器(LESO)，文献[14]提出了线性自抗扰

8、控制(LADRC)．由于LADRC整定参数较少，有利于实际应用，且大量研究表明LADRC对具有