空中无人飞艇的建模与控制方法研究.pdf

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1、上海交通大学博士学位论文空中无人飞艇的建模与控制方法研究姓名：欧阳晋申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：席裕庚20030901 上海交通大学博士学位论文空中无人飞艇的建模与控制方法研究摘要本文以我国平流层通信平台的预研项目为背景即空中无人飞艇的建模和控制问题展开了研究对项目第一阶段的验证飞艇作为研究控制问题的基础制策略的制定控制系统的设计都有着重要意义乏实验数据所以本文采用机理分析的方法飞艇数学模型的建立是必要和关键的这对于控考虑到在飞艇研制的初期缺并在详细分析飞艇受力情况的基础上依据理论力学原理和运动参数之间的几何关系分别建立了飞艇的动力学方程和运动学方

2、程共同组成了完整的六自由度非线性运动方程作为飞艇的动态模型且对该模型进行了线性化和分组处理果印证了这种处理的正确性以作为研究飞艇控制问题的基础仿真结在研究飞艇的控制方案之前本文对飞艇本身的运动特性进行了研究根据线性化模型分析了飞艇的运动稳定性和动态性能其中运动稳定性是指处于定受扰的运动参常运动状态的飞艇在没有控制输入作用的条件下受瞬时小扰动后数能否自行回到初始运动状态的性能态响应特性对于运动稳定性的分析飞艇在不同基准运动条件下的运动稳定性做出了判断动态性能是指飞艇在外部输入作用下的动本文从研究系统矩阵特征值入手不仅对而且还划分了飞艇扰动运动的特征模态飞艇对控制输入的响应特

3、性通过传递函数及其频率特性来分析控制输入对飞艇特征模态的影响研究了飞艇在控制输入下的响应特性验证了所得的结论平流层平台的验证飞艇要求在无人操纵的条件下实现自动飞行并揭示了它们的物理成因对于动态性能的分析则主要研究了然后首先证明了飞艇的动态模型是结构能控的并通过仿真虽然飞行自动控制系统已经广泛应用于飞机和导弹中但并无成功应用于飞艇的先例本文在这方面进行了初步探索首先介绍了飞艇飞行自动控制的概念然后以飞-I- 摘要艇线性化模型作为被控对象分别研究了其姿态控制和高度控制姿态控制可分为俯仰姿态控制和偏航姿态控制文对它们分别进行了控制律设计分别以升降舵和方向舵偏转角作为控制量通过仿

4、真发现采用经典控制方法设计的姿态控无法保证良好的控制效果本文采用基于LMI的方法对姿态控制系统进行了设本因制系统在飞艇模型参数以及工作条件变化较大时此为了提高系统的鲁棒性计并对所设计系统进行了有约束的多目标优化仿真结果显示所设计的鲁棒姿态控制系统完全达到了设计目标对于工作点变化和参数摄动有较强的鲁棒性为了控制飞行高度本文采用了通过升降舵控制俯仰角从而使飞艇抬头爬升或以姿态控制系统作为内回路并在外回路引入高度信号所设计的高度控制律虽然十分简单但仿真结果证明其能够起到良好的稳定和控制高度作用低头俯冲下降的控制方式作为反馈构成了高度控制系统在实际应用中即在指定的范围内保持相对地

5、面静止位置则需要依靠其自身的动力这就是定点控制的概念要求平流层平台验证飞艇在升空后静浮于空中并实现定点如果飞艇受到各种因素的影响而偏离定点在控制系统的作用下回到定点位置并悬停于此本文以非线性模型为对象其一是采用遗传算法寻优的最短时间开分别设计了两种类型的飞艇环控制系统�其二是采用定点控制系统反馈线性化方法设计的闭环控制系统前者侧重于时间最短的控制性能系统的性能会受到较大影响但由于是开环控制飞艇轨迹的反馈信号并且仿真结果证实了这种闭环系统设计方案可以抑制参数摄动带来的影响间最优开环控制系统相比显著提高了控制精度改善了控制效果当出现参数摄动时后者由于引入了计算量较小因而相对提

6、高了系统对参数摄动的鲁棒性与时�关键词空中无人飞艇定点控制建模姿态控制高度控制最短时间定点控制闭环-II- 上海交通大学博士学位论文ResearchonModelingandControlofanUnmannedAirshipABSTRACTAirshipshavewideapplicationsinthefieldsoftransportation,observation,andtelecommunicationservices,etc.Now,theunmannedairshipcanalsobeusedforthestratosphericplatform.With

7、thebackgroundofthestratosphericplatformR&DprojectinChina,anunmannedairshipisbeingdevelopedastheverifyingplatformforthefirstphaseoftheproject.Inthiscontext,theunmannedairshipmodelingandcontrolmethodsarestudiedinthisthesis.Asthebasisforthedesignofcontrolandnavigations