[发明专利]三自由度直升机的增益调度控制方法

说明书

基于LPV系统的三自由度直升机控制方法，通过三自由度直升机系统组成结构，建立三个自由度方向上的运动方程，然后根据LPV系统概念选择可变参数、状态向量、系统输入与输出建立三自由度直升机LPV模型,将该LPV数学模型转化为Matlab语言。根据三自由度直升机模型，设计系统反馈回路，选择权重函数，生成控制器。得到控制器参数后搭建控制器模块图，并且建立被控系统模块，给定不同的输入，选择观测输出，然后进行三自由度直升机半实物仿真。硬件控制通过Matlab给定跟踪信号，经计算机计算得到控制电压后联动官方软件QuaRC将数据写入数据采集卡，然后控制信号流经功率放大器，直接对直升机主体进行控制。

技术领域

本发明是针对三自由度直升机所设计的控制方法，这种控制方法是基于三自由度直升机的线性参数变化(Linear parameter varying)模型，设计增益调度控制器，优化该直升机系统的控制性能。

背景技术

三自由度直升机系统是一类典型的非线性系统，而传统的控制方法例如PID控制、传统增益调度控制针对的是其线性化模型，没有很好的全局控制效果，且当三自由度直升机系统飞行过程中系统参数变化过快时，往往不能得到良好的系统响应。而且传统的控制器设计方法中控制器性能好坏与平衡点的选择息息相关，模型个数少，会影响系统精确性，模型个数选取过多，控制器的设计会变得复杂，硬件要求也会变得苛刻，不利于工程实现。

正是基于以上考虑，本文发明了一种基于三自由度直升机系统LPV模型的增益调度控制器设计方法。令三自由度直升机这个非线性系统的动态特性依赖于实时可测的外部参数，同时又可以采用线性控制理论的方法来设计增益调度控制器，使得控制器的增益可以随外部参数的变化而变化，不需要再为一个系统设计多个控制器，以控制器的切换达到全局控制的目的。其次，根据LPV形式建立的直升机模型，我们也可以通过参数依赖型二次Lyapunov函数，理论上证明其在工作区间内的稳定性。

发明内容

本发明为了克服传统的三自由度直升机系统控制器设计与应用过程中存在的不足，创新发明了一种新的控制器设计方法，即基于三自由度直升机系统LPV模型的增益调度控制方法。该方法不仅适合于高度非线性的三自由度直升机，同时也为控制其他的非线性系统提供了一个方向。

本发明所采用的技术方案如下：根据实际的三自由度直升机系统主体结构与运动方式，建立高度轴运动方程、俯仰轴运动方程、旋转轴运动方程，选取合适的系统输入、可变参数、状态向量与观测输出，并拟合LPV系统的概念建立三自由度直升机系统的LPV模型。得到数学模型之后在配套的计算机系统MATLAB软件中以M语言建立三自由度直升机系统的计算机模型，并计算得到增益调度控制器的相关参数。在此基础上，利用增益调度控制器参数在Simulink中搭建控制器模块，并与三自由度直升机系统的计算机模型构成反馈回路，联动官方软件Quarc对被控对象进行控制。通过MATLAB给定跟踪信号，经计算机计算得到控制电压后，驱动Quarc将数据写入数据采集卡，控制信号流经功率放大器对三自由度直升机主体进行控制。在三自由度直升机系统主体上还存在三个自由度编码器能够采集实际的角度信息并传输给外部的数据采集卡，作为整个被控系统的反馈信息。当采用这种控制器设计方法后，整个设计过程将变得异常简洁，而且只需设计一个控制器，就能对三自由度直升机系统的全局状态进行良好的控制。

三自由度直升机的增益调度控制方法，包括如下步骤：

步骤1.建立三自由度直升机系统的LPV模型；

1.1，根据三自由度直升机系统的运动特性能够分析其受力情况，首先建立高度轴运动方程。直升机前后电机带动螺旋桨，产生的升力分别为F_f与F_b，升力之和为F_m＝F_f+F_b，前后螺旋桨质量相同，M_f＝M_b，配重块质量为M_w。根据力矩平衡方程能够得到：