(最新)高超飞行器控制器鲁棒性研究

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1、高超飞行器控制器鲁棒性研究黄迅特聘研究员／博导实时控制与信号处理实验室动力学与控制组力学与空天技术/工学院北京大学www.coe.pku.edu.cn/faculty/huangxunhuangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20101/9高超飞行器控制“吾恐季孙之忧不在颛臾而在萧墙之内也”《论语》.高超飞行器控制关键不在研究新控制方法，而在被控对象特征不明；.从飞行器设计角度出发，高超飞行器具有气动实验困难、计算模型不精确导致无法准确估计气动特性、大气环境变化剧烈导致

2、动压快速变化、气动弹性和气动加热联合导致机体振动、自主飞行控制导致柔性机体振动可能进入控制回路等问题；从控制角度看，上述问题表明被控对象的面向控制模型具有较大的不确定性，如输入（力和力矩难以准确估计，并且气动加热和燃料高速消耗会导致重心变化等）和状态量（刚性体和柔性体状态在不同温度和外部激励下的变化）；但是控制理论特点是可以允许较大的不确定性。如气动实验20%置信度、阻力计算5%置信度，而控制理论经常可以在100%的不确定范围内设计出可用的控制器。.....huangxun@pku.edu.cn(黄迅

3、)北京大学高超飞行器研究Oct20102/9高超飞行器面向控制建模.给定飞行器外型，可结合采用激波理论、计算流体力学和风洞实验.估计气动力和力矩。但是由于稀薄气体效应等影响，到底多少置信度很难界定，需要自由飞等实际验证；由于没有飞行员（的低频滤波功能），柔性体效应必须在最终的控制器设计中考虑。但振动频率除了受机体端点条件限制还受外部气动力波动和内部旋转部件频率影响，初步建模中如只考虑刚体模型，不宜过分关注控制性能，否则如缘木求鱼；具体建模思想有两种：理论推导和系统辨识；理论推导中又分基于估计气动导数建

4、模、和直接非线性模型工作点线性化。.....huangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20103/9高超飞行器控制问题.对自主滑翔返回控制来说，如果仅考虑刚性模型，并给定估计的气.动力系数和气动力矩系数不确定性范围，可以从鲁棒控制角度考虑飞行控制问题；低空段快速机动显然需要考虑其它控制方式突出性能，不在此处讨论；常见的高超飞行器控制问题可以表述为：给定飞行器参数、气动力／力矩、误差范围，设计控制器满足飞行轨迹内的鲁棒稳定性和飞行性能要求；以下针对性的提出控制器设计和鲁棒

5、性分析手段。.....huangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20104/9常规控制设计根据给定测试数据建立动力学模型，在飞行轨迹内选取特征点配平和局部线性化获得线性化模型G(s)，如解偶则可根据经典控制理论设计控制器K(s)并讨论增益和相位域度；如协调控制则可利用二次型设计LQR（稳定）、LQG（部分量不可测）和LQI（轨道跟踪）控制器。全轨道跟踪为增益规划(gainscheduling)问题，可利用前述动力学模型仿真。Easyandstraightforward!

6、但是...huangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20105/9待解答的问题.测试不准确（如参数偏差50%）带来乘性不确定性∆M和加性不确定.性∆A，刚体模型丢掉了柔性部分模型∆A等问题影响稳定性设计，如何度量？（联想：假如没有不确定性并假设无输入饱和，大增益控制器即可包打天下）为什么要考虑解偶和协调控制？解偶是常规飞行器控制需要（常识：飞行员喜欢单通道控制能力）；对自主飞行可以采用经典控制论分析，所得分析结果很直观；协调涉及MIMO，更好反应系统特点并利用多个舵面协

7、调作用，分析结果可能稍不直观；以下给出MIMO不确定系统鲁棒分析结果。.....huangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20106/9理论工具.给定L(s)=G(s)K(s)，有以下定义和近似：.S(s),(I+L(s))1≈L(s)1,if(L(s))≫1,T(s),L(s)(I+L(s))1≈L(s)1,if¯(L(s))≪1,R.(s),K(s)(I+L(s))1。.....被控系统稳定，如果其乘性不确定性满足：.1¯(∆M(j!))≤;(1)

8、¯(T(j!))并且加性不确定性满足：1¯(∆A(j!))≤:(2).¯(R(j!))....huangxun@pku.edu.cn(黄迅)北京大学高超飞行器研究Oct20107/9理论运用不需要知道到底气动、柔性体是乘性不确定性还是加性不确定性（需要吗？），即可采用公式（1-2）分析所设计控制器的鲁棒性能；反过来讲，假如给定了气动不确定性范围，针对某个局部工作点线性化模型G0(s)可以方便的得出该工作点处∆A和∆M（一般是个混杂的曲线，思考：如何得