基于补偿的飞行器鲁棒解耦控制

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1、硕士学位论文基于补偿的飞行器鲁棒解耦控制COMPENSATION-BASEDROBUSTDECOUPLINGCONTROLOFFLIGHTVEHICLES翟雯婧哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TJ765学校代码：10213国际图书分类号：623密级：公开工学硕士学位论文基于补偿的飞行器鲁棒解耦控制硕士研究生：翟雯婧导师：马克茂教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制与仿真中心答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TJ765U.D.

2、C:623DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCOMPENSATION-BASEDROBUSTDECOUPLINGCONTROLOFFLIGHTVEHICLESCandidate：ZhaiWenjingSupervisor：Prof.MaKemaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：Controland

3、SimulationCenterDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要考虑飞行器姿态控制系统中，控制通道间存在耦合及不确定性的影响，基于补偿的思想进行鲁棒姿态控制器设计的研究。首先对姿态控制模型进行化简成为标称模型，接下来对于标称模型利用Backstepping设计方法进行解耦控制，设计出标称模型部分的控制律，然后设计模型的扩张高增益观测器，利用观测

4、器估计系统的不确定性，并将不确定性补偿回原系统，同时利用高增益观测器的增益很大时输出反馈可以恢复状态反馈的性能的特点，用观测值代替状态量进行输出反馈，从而完成飞行器控制律的设计，并进行仿真验证。本论文的主要内容如下：首先，给出常用坐标系以及各个坐标系之间的转换关系，分析导弹受力和力矩以及动力学和运动学方程，推导并建立导弹姿态控制的三维模型，包括标称模型部分和不确定性部分，为接下来标称系统控制律的设计以及扩张观测器的设计做准备。然后，针对姿态控制系统这一多变量、强耦合的非线性系统，提出基于Backstep

5、ping设计方法的解耦控制策略，利用Backstepping方法设计姿态控制系统标称模型的控制律，将原来复杂的非线性系统分解成几个子系统，为每一个子系统设计部分李雅普诺夫函数，以保证系统的稳定性，推导中间虚拟控制量，最后导出标称模型真正的控制律，实现系统的解耦控制，完成标称模型控制律的设计。接下来，姿态控制模型带有不确定性，针对模型的不确定性，结合高增益观测器相关知识，对姿态控制模型设计扩张高增益观测器，将不确定性扩张出来。仿真并比较不同参数下观测器性能上的区别。分析高增益观测器固有的尖峰现象并提出解决

6、的方案。最后，使用扩张观测器估计系统的耦合部分和不确定性部分，并将其补偿回原系统，用输出反馈控制器替代状态反馈控制器，针对尖峰现象采用饱和控制，实现系统控制通道间的解耦控制，使系统具有较高的收敛速度和精度。对所设计的飞行器控制律进行仿真验证，并分析和对比标称闭环系统和带有高增益观测器的闭环系统的解耦效果、跟踪效果等，验证了控制律的控制性能。关键词:姿态控制；解耦控制；不确定性；高增益观测器；-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInthethesis,weconsidertheproble

7、mofcouplinganduncertaintyinattitudecontrolsystem.Firstly,wesimplifytheattitudecontrolmodelandderiveanominalmodel.Thenominalmodelisdecoupledwithbacksteppingdesignmethod.Then,wedesignthecontrollawforthenominalmodel.Besides,theextendedhigh-gainobserverisdes

8、ignedfortheattitudecontrolmodel.Theobservercanestimatetheuncertaintyoftheattitudecontrolsystemandtheuncertaintyshouldbecompensatedtothissystem.Thestatevaluecanbereplacedbytheobservedvalue,becausetheperformanceofstatefeedba