基于H∞最优化与层次结构动态逆的非线性飞行控制器设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252011V01．32No．91678-1685ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2011)09—1678—08基于H∞最优化与层次结构动态逆的非线性飞行控制器设计曹立佳，张胜修*，李晓峰，刘毅男第二炮兵工程学院自动控制工程系，陕西西安710025摘要：针对扰动环境下的导弹飞行控制问题提出一种基于H。最优化与层

2、次结构动态逆(HSDI)的鲁棒非线性控制方法。设计层次结构动态逆控制器时将层次结构优化为3层，并按照时标分离的思想调整了各层次的状态变量，使得控制器更为简洁。在此基础上，将层次结构动态逆控制器与导弹6自由度(D()F)非线性模型联合作为H。。控制的广义被控对象，通过引入二自由度H。，最优化理论并重构广义被控对象的状态变量设计了H(，，鲁棒控制器。闭环系统的奇异值分析和对某型有翼导弹进行的6自由度飞行仿真表明，所设计的飞行控制器具有良好的指令跟踪和抗干扰能力。关键词：导弹；飞行控制；H。最优化；层次结构动态逆；层次结构

3、调整；状态变量重构中图分类号：V249．12文献标识码：A为满足日益提高的飞行机动性能，现代飞行控制器的设计趋向于采用一些非线性控制方法。从Meyer等[1]应用动态逆技术设计直升机自动驾驶仪开始，众多学者在飞行控制器的设计中运用了非线性动态逆控制【2‘6]。虽然在解决非线性控制问题时动态逆有其自身优势，但是对飞行器精确力与力矩模型的依赖和对外界扰动的敏感性使得单纯采用非线性动态逆技术难以保证控制的鲁棒性‘71。为解决存在外界扰动及系统不确定性时的控制问题，Zames[83提出了基于反馈系统灵敏度函数无穷范数最小化的

4、H。最优控制理论。采用这一理论设计鲁棒控制器时，因为直接引入了外界扰动引起的不确定性作为控制系统的评价指标，从而具有良好的扰动抑制能力。正是H。控制这种强大的鲁棒性能使得其在飞行控制中得到了广泛应用[9d0

5、。本文为解决存在外界干扰时的导弹非线性控制问题，在文献E6]和文献[7]提出的层次结构动态逆(Hierarchy—StructuredDynamicInversion，HSDI)基础上，通过层次结构和层次变量优化调整，降低了动态逆控制器的层次与设计难度。然后，采用原导弹非线性动态与HSDI控制器作为广义被控对象模

6、型，重新选取广义系统状态变量，将控制器设计问题转换为标准H。。优化问题。按照改进的二自由度(DOF)H。。最优控制方法设计H。。鲁棒控制器，以提高控制系统的鲁棒性能。1基于H。。最优化与HSDI的控制方法考虑如下非线性系统：J垆似州)(1)【y2矗(工)式中：xER”为状态变量；H∈R”为控制输入；j，∈收稿日期：2010—12-08；退修日期：2们1—01—06；录用日期：2011-03-21：网络出版时间：2011．03．3013：06：10网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detait／11．1

7、929．V．20110330．1306，005．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110330．1306．005基金项目：国家自然科学基金(60874093)*通讯作者．Tel．：029-84741963E．mail：zsxl963@yahoo．corn．∞引用格武

8、瞢立佳．张胜修。李晓峰。等j基于一。最优化与层次结构动态逆的菲线性飞行控朝器设计￡J]j航空学摄。201{．32(9)：1678-1685．CaoLijia．ZhangShengxiu·LiXiaofeng．eta1．Nonlinearf

9、

10、IgmcontrollerdesignusingH-optimizationandhierar-chy-structureddynam地inversionLJJ．ActaAeronaut／caetAstronauticaSinica．20¨。32(9)：1678-1685，曹立佳等：基于H．最优化与层次结构动态逆的非线性飞行控制器设计1679R‘为量测输出。对式(1)中Y进行微分，得到多一鱼警(工，H)兰兰F(工，Ⅱ)(2)引入伪控制量'，，且令'，=F(x，“)(3)则控制输入可以表示为U一(F(工，'，))-1

11、(4)结合式(2)～式(4)，有l=F(x，(F(x，'，))_1)一F(x，比)=1，(5)而伪控制量'，可以通过式(6)的线性控制器给出：1，一K(y—y。)(6)式中：K为设计反馈增益矩阵；y。为被控输出Y的期望值，上标C表示信号的期望值。根据文献[6]，考虑如下具有咒层结构的系统：主f一，，(工，工，，X斗l，H)(i=1，2，⋯，行)