[发明专利]三自由度直升机显式模型预测控制方法

说明书

三自由度直升机显式模型预测控制方法，包括如下步骤：步骤1)三自由度直升机系统数学模型的建立，步骤2)基于第一步得到的状态空间模型，构建相应的多参数二次规划(multiparametric quadratic program，MPQP)问题，步骤3)离线求解MPQP问题，得到系统的状态分区以及对应分区上的线性控制律，步骤4)在线运行时，根据当前的系统状态，通过查表方法，确定状态所在的分区，并提取出该分区对应的控制律，步骤5)把所设计的显式模型预测控制器接入如附图1所示的三自由度直升机实验平台中，形成闭环回路，对不稳定的飞行系统进行调节控制实验。

技术领域

本发明应用于三自由度直升机自动控制领域，涉及一种快速的适用于三自由度直升机的姿态调节控制的控制方法。

背景技术及意义

自1907年载人直升机诞生以来，经过100多年的发展，常规直升机技术已经非常成熟。和固定机翼飞机不同，直升机能够在小面积场地垂直起降，在空中定点悬停，定点360°回转；直升机能够作任意方向飞行，可以低速贴近地面飞行，还可在机身外部吊挂货物。由于这些特点使得直升机在军用、民用等领域得到了极为广泛的应用。军用方面如对地攻击、运输突击、空降空投、侦察搜索、火力支援、反潜扫雷、电子战与预警等。民用方面如运输旅客、地质勘探、抢险救灾、医疗救护、空中摄影等。直升机已经广泛应用于国防建设和国民经济的各个方面，可以说没有装备直升机的军队不能看作是现代化的军队，没有直升机的社会不能称之为现代社会。

我们使用加拿大Quanser公司开发的三自由度直升机系统作为研究对象，基于模型预测控制对其进行姿态的调节控制，并与PID的控制效果进行比较。三自由度直升机系统是一个典型的多输入多输出系统，并且具有强耦合、非线性等特性，是自动控制领域比较棘手的一类被控目标，直升机的控制效果可以分别通过三个自由度的控制效果来体现。三自由度直升机作为一类常见的、非常有代表意义的复杂控制对象，是很多军工和航天问题的抽象。研究三自由度直升机飞行控制问题有助于弹道导弹飞行轨迹、卫星姿态调整、月球车月面行走等控制问题的解决。

预测控制是一种基于模型的先进控制技术，所以也叫模型预测控制。1978年，J.Richalet在他的论文里首次阐述了预测控制的背景、原理和应用，并提出了预测控制算法的三要素：内部(预测)模型、参考轨迹、控制算法。如今则一般更清楚得表述为：内部(预测)模型、滚动优化、反馈控制。预测控制基于预测模型，采用二次在线滚动优化性能指标和反馈校正来克服多种不利影响，如被控对象的建模误差和结构、参数以及环境不确定性因素。预测模型的功能是根据被控对象的历史信息和未来输入，预测系统的未来响应。未来的控制策略通过解最优性能指标得到，并且随时间的推移在线优化，反复进行，虽然每一步实现的是静态的优化，全局而言却是动态的。每到一个新的采样时刻，都要通过实际测到的输出信息对基于模型的预测输出进行修正，然后再进行新的优化。这样不断根据系统的实际输出对预测输出值做出修正是滚动优化不但基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环最优。

从上世纪70年代问世以来，预测控制在复杂工业工程中所取得的成功已充分显示出其处理复杂约束优化控制问题的巨大潜力。

近年来，在先进制造、能源、环境、航天航空、医疗等许多领域中，都出现了不少用预测控制解决约束优化控制问题的报道，如电力、城市交通、城市的污水处理、材料制造中的高压复合加工、糖尿病人的血糖控制等，这与上世纪预测控制主要应用于工业过程领域形成了鲜明的对照，它反映了人们对预测控制的期望。

除了慢过程控制，在快速随动系统中，预测控制也开始崭露头角。

Keviczky T和Balas G J通过比较不同回退时域控制方法对F-16飞行器的纵向控制效果，得出基于飞行条件独立的线性预测模型的回退时域控制方法，要获得良好的控制效果灵活性是必要条件。通过牺牲一部分性能，降低计算复杂度并确保实时可执行性，并且提供了一种方法，可用于替代基于模型的全非线性回退时域控制方法。