无人直升机非线性鲁棒控制器设计及仿真

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1、无人直升机非线性鲁棒控制器设计及仿真李之果1，陈亚锋1，高亚瑞2（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047；2.郑州大学西亚斯国际学院，河南郑州450000）摘要：按照Tornambe型非线性鲁棒控制器设计方法，基于某型无人直升机侧向运动数学模型，设计了该型无人直升机侧向飞行姿态保持分散非线性控制系统，该控制系统包含的积分环节补偿了系统内部各种未知因素及外部扰动，通道间解耦效果良好。仿真结果与PID控制相比较，具有很强的抗扰动能力。.jyqkbe型非线性鲁棒控制器引入到无人直升机飞行控制器设计中，Torna

2、mbe型非线性鲁棒控制器具有不依赖被控对象精确数学模型，强鲁棒性，并且参数整定方便快捷等优点。仿真结果表明，该Tornambe型非线性鲁棒控制器可以较好地解决通道间解耦问题，并且在具有较强外部扰动情况下依然具有良好的控制品质。1Tornambe型非线性鲁棒控制器Tornambe型非线性鲁棒控制器由意大利学者A.Tornambe首先提出。A.Tornambe在其论文中详细论述了Tornambe型非线性控制器的设计，并同时对其稳定性进行了证明[5?6]。该控制器不依赖精确的被控对象模型，其内部所包含的积分环节可以补偿系统各种未知因

3、素的干扰，具有很强的鲁棒性。Tornambe型非线性控制器考虑系统状态变量的不可测、对象模型的不确定性和系统外部扰动等各种未知因素，由输出变量的组合构造出观测器，用观测器观测系统扩张状态变量，并通过观测器包含的积分环节补偿系统的各种未知扰动。1.1控制器算法Tornambe型非线性鲁棒控制器算法简述如下。对于一类单输入单输出仿射非线性系统：对于高阶系统，其预期动态特性参数的选取依此类推。对于控制器中参数kr-1，有kr-1=σ(b(z,be型非线性鲁棒控制器需要整定的参数有hi和ki，其中i由系统相对阶数决定，hi则由预期动态

4、决定，因此，预期动态一旦选定，可整定的控制器参数就仅剩ki。对于2阶系统，确定预期动态后，待整定的参数为k0和k1，为分析k值对控制系统的影响规律，进行被控对象参数摄动情况下的Monte?Carlo试验，试验结果如图1，图2所示。参数ki主要影响控制系统的性能鲁棒性，增大其值时，控制系统抗干扰能力增强。k0影响控制系统阶跃响应时间及超调量，其值增大时，上升时间减小，超调量响应增加。3控制器设计及仿真针对已经给出的直升机侧向通道数学模型，设计相应Tornambe型非线性鲁棒控制器。由数学模型可以看出，被控对象为两个通道，需要分别

5、对每一个通道设计相应的控制器，因此该控制系统为分散控制结构形式。另根据微分几何求取相对阶，两个通道相对阶均为2，从而控制器的基本结构就相应确定下来。按照前文所述算法设计分散控制系统，并进行控制系统性能分析。为分析Tornambe型非线性鲁棒控制系统抗干扰能力，在直升机输出中加入噪声信号，并同PID控制器对比分析，仿真试验如图3所示。噪声信号幅值±0.1，与控制指令输入幅值相当，通道角速率输出已经基本淹没，该控制器对速率噪声的抑制要好于PID，航向角与倾斜角输出虽然有较大波动，但仍能较好地跟踪输出。控制系统控制量输入是考核控制系

6、统性能的一个重要指标，在同样噪声信号输入下，进行Tornambe非线性鲁棒控制器与PID控制量对比分析，如图4所示。可以看出控制性能近似时，Tornambe控制量输出幅度变化明显比PID要小，对执行机构的要求放宽很多。将状态方程表示的被控对象模型转化为用传递函数表示，给出两个主通道间的传递函数方程，可以看出被控对象为5阶系统。4结论Tornambe型非线性鲁棒控制器结构简单易于实现，并且不依赖被控对象的精确数学模型，有着良好的抗干扰能力，鲁棒性很强。基于某型直升机两通道侧向运动数学模型为例，设计Tornambe型分散非线性鲁棒

7、控制器，并进行计算机仿真验证，同PID控制相比较，Tor?nambe型非线性鲁棒控制器抗扰动能力较强，并且从控制量上考虑，该控制器对执行机构的要求较为宽松。.jyqkicalsystems[J].JournalofDy?namicSystems，Measurement，andControl，1994，116（2）：293?304.[6]TORNAMBEA.Globalregulationofaplanarrobotarmstrikingasurface[J].IEEETransactionsonAutomaticControl

8、，1996，41（10）：1517?1521.[7]唐永哲.直升机控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2000.简介：李之果（1983—），男，硕士研究生，工程师。研究方向为无人直升机飞行控制。陈亚锋（1983—），男，硕士研究生，工程师。研究方向为无人飞行器飞行控制。