变体飞行器切换LPV建模与控制

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1、学校代10699码分类号V249密级学号2013100550题目变体飞行器切换LPV建模与控制作者何墉学科、专业导航、制导与控制指导教师章卫国申请学位日期2017年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：变体飞行器切换LPV建模与控制作者：何墉学科专业：导航、制导与控制指导教师：章卫国2017年11月SwitchedLPVSystemModelingandControlofMorphingAircraftAdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftherequire

2、mentforthedegreeofDoctorofPhilosophyByHEYongSupervisor:ProfessorZHANGWeiguoCollegeofAutomationNorthwesternPolytechnicalUniversityNovember,2017Xi’an摘要摘要作为一类新概念飞行器，变体飞行器能在复杂多变的飞行环境中通过改变自身机体构型来改善气动特性，在多种不同飞行任务下始终保持良好的飞行性能。在变体过程中，变体飞行器的气动焦点、重心位置和翼面面积等物理参数会发生变化，进而影响到作用

3、在飞行器上的气动力和力矩，使得飞行器特性呈现较强的时变性和不确定性。因此，设计具有强鲁棒性的飞行控制系统对于变体飞行器至关重要。本文以某小型变后掠翼飞行器为研究对象，通过变体飞行器的切换线性变参数模型反应系统的时变性和不确定性，用切换的思想解决了飞行器变体过程中的稳定性问题、多目标控制问题、鲁棒区域极点配置问题和有限时间稳定问题。主要的研究成果与创新点如下：1.为了解决飞行器变体过程中模型参数时变系统的稳定与镇定问题，利用多胞切换思想建立了飞行器变体过程的数学模型，提出了一种基于平均驻留时间的多胞切换方法。多胞子系统内部采

4、用顶点设计和增益插值的方法给出多胞子系统控制器，多胞子系统之间用平均驻留时间方法给出系统在不同子系统间切换的稳定条件，多胞子系统间通过前馈控制律实现变体飞行器对给定指令信号的跟踪。所得控制器可实现飞行器变体过程中的平滑控制，避免控制器增益的跳变。2.针对变飞行器在不同机体构型有不同性能目标需求的多目标控制问题提出了两种控制器设计方法。首先根据变体飞行器的气动特性分析和任务需求，把后掠角的变化范围分为不同的区域，在不同的后掠角区域用相应的权值函数表示该区域的控制目标，为降低系统设计的保守性，采用参数依赖型Lyapunov函数

5、结构，分别用多Lyapunov函数方法的迟滞切换策略和公共Lypunov函数方法给出系统稳定切换的条件，并分别将控制器存在条件转换为与之等价的线性矩阵不等式形式，使得控制器的设计问题转化为基于线性矩阵不等式的凸优化求解问题。仿真结果表明两种方法所得控制器都能在变形机构允许的变体速率下快而稳地完成变体过程，且迟滞切换策略在系统性能方面更具优势。3.针对公共Lyapunov函数方法和迟滞切换方法保守性强和设计过程复杂的不足，用慢切换方法解决飞行器变体过程中的多目标控制问题。首先用平均驻留时间方法给出控制器存在的条件，然后以平均

6、驻留时间方法为基础，通过在不同的参数子区域选择不同的Lyapunov函数放大倍数和系统的衰减率，用模型依赖平均驻留时间方法给出控制器存在的条件，并将控制器存在的条件转化为与之等价的线性矩阵不等式形式。而且，相比较于平均驻留时间方法，模型依赖平均驻留时间方法可通过参数的不同选择调节子系统的平均驻留时间，从而在调节飞行器的变体过程中具有更大的灵活性。I西北工业大学博士学位论文4.为保证飞行器变体过程中的暂态性能，提出了一种基于区域极点配置的控制器设计方法。首先基于变体飞行器的切换线性变参数模型和参数依赖多Lyapunov函数方

7、法，分别用平均驻留时间方法和模型依赖平均驻留时间方法，给出系统满足鲁棒区域极点配置及加权H控制器存在的条件，并通过一种新的控制器状态重置技术把边界条件纳入∞系统综合的条件进行凸优化求解，简化了系统设计的复杂性。5.鉴于变体飞行器的变体过程是一个有限时间的行为过程，提出了一种基于有限时间稳定的控制器设计方法，并通过变量替换把控制器存在的条件转化为受线性矩阵不等式约束的凸优化问题。最后对全文进行了总结，并指出了后续的研究方向。关键词：变体飞行器；切换多胞系统；参数依赖多Lyapunov函数；迟滞切换；平均驻留时间；模型依赖平均

8、驻留时间；鲁棒区域极点配置；控制器状态重置；有限时间H控∞制IIAbstractAbstractAsatypeofnewconceptaircraft,morphingaircraftcanimproveitsaerodynamiccharacteristicsandmaintaingoodflight