基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252012V01．33No．91587·1597ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．eduCR文章编号：1000—6893(2012)09—1587—11基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计刘鹏1，王强2，蒙志君1’*，武哲11．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191摘要：提

2、出了一种改进的无人直升机H。。回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术弓I入到无人直升机高带宽控制器设计，根据飞行扫频数据，得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应，依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型，采用改进的H。。回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器，针对H。回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题，利用了最大右约数(GcRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比，使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度，系统

3、的解耦性和频带也显著提高，而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证，所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。关键词：直升机；鲁棒控制；系统辨识；最大右约数；H。。回路成形；飞行品质中图分类号：V212．4；TP273文献标识码：A近年来随着无人直升机飞行控制技术的迅速发展，无人直升机已经引起了国内各航空院校、研究院所和军方的广泛关注，但是已有的控制器带宽较低，而且在风干扰等复杂环境的控制效果一般[1q]。究其原因就是缺少高精度的飞行动力学模型阻碍了先进的控制

4、算法应用于无人直升机高带宽控制器设计[4‘6]。频域辨识方法是建立高精度的无人直升机飞行动力学模型的一种有效方法。直升机的旋翼、发动机和传动装置等高阶振动将导致飞行试验中测量噪声很大，频域分析可以通过滤波和相于性分析去除噪声的影响，而通常采用的时域辨识方法由于噪声对测量信号的影响很大，建立精确的动力学模型比较困难。H。。回路成形方法是由McFarlane和Glover提出的，它将经典控制理论与现代鲁棒控制相结合，是设计多输入多输出(MIM0)系统鲁棒控制器的一种非常有效的方法[7]。尽管设计者利用工程经验经常会得到较好

5、的回路成形权值矩阵和控制器，但是在实际设计过程中，如何选取合适的权值矩阵w，和w。得到要求的回路性能指标是很不明显的。这是因为权值矩阵中的每个变量对回路奇异值的影响往往并不明确，尤其是在设计对象存在严重的耦合或者是需要选取非对角型的权值矩阵的时候，而且权值矩阵的选取一般都是靠设计者反复的调整和试凑，非常耗时且带有很大的盲目性，想要得到一个满足性能指标且具有较高鲁棒性的控制器比较困难。本文采用频域辨识方法得到了高精度的无人直升机飞行动力学模型，并以此模型为基础，利用收稿日期：2011-12—28；退修日期：2012-03

6、—12；录用日期：2012—03-19；网络出版时闻：2012-05-2013：59网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V20120520．1359，018．htmI*通讯作者．Tel：010-82338797E—mail：mengzhijun@buaaedu．on硪嗣格武tLiuP。WangQ，MengZJ．eta1．Unmannedhelicopterrobustcontrollerdesignbasedonaircra圩flyingqualitiesevaluation．

7、ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33(9)：1587-15977裁鹂，I强，蒙志君，等．基f飞行品质评估的无人直井辊鲁棒控钢器设计．航空学报．2012．33(9)：1587-1597÷航空学报80p．252012V01．33No．9H。回路成形方法来设计满足无人直升机高性能飞行品质的鲁棒控制器。在权值矩阵的选取中采用了最大右约数(GreatestCommonRightDivi-sots，GCRD)方法，与传统方法相比飞行性能有了较大的提升。通过仿真结果的验证，所设计的无

8、人直升机系统满足美国军用标准ADS-33E[8]中关于旋翼机飞行品质的要求。1小型无人直升机飞行动力学模型在辨识试验中使用的小型无人直升机是由RaPtor50遥控模型直升机改装而成的，如图1所示。该平台具有5路主要操纵输入，包括总距操纵，航向操纵，横、纵向周期变距操纵和发动机油门操纵，其中总距和油门操纵存在线性耦合关系。qk—一图