[发明专利]一种无人直升机大包线自适应增益调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体的说是一种无人直升机大包线自适应增益调度方法。

背景技术

目前，国内外无人直升机全包线飞行控制系统控制律的设计大多数采用传统的增益调度程序(gain schedule)方案，特别是国内的飞控设计全部采用这一方法。过去一直认为增益调度是一种开环自适应控制，因为在很多情况下，过程的动态特性随过程的运行条件而变化，但这种变化的关系是己知的。动态特性变化的一种原因是由已知的非线性特性引起的，这时，我们就能通过监测过程的运行条件来改变控制器的参数，这种思想就称为增益调度。在补偿参数变化或对象己知非线性方面，基于对过程运行条件的测量的增益调度控制通常是一种有效的方法。增益调度己被许多成功的工程实践证明为非常有效并广泛使用的一种方法，它的优点是不受计算机速度的限制。

传统的全包线增益调度飞行控制系统设计的思想是，采用多个线性控制器来近似替代所要求的非线性控制器。因为飞机的动力方程在整个飞行包线内不能用一个线性模型表示，所以首先在飞行包线内选取许多特征设计点，飞机在这些设计点上的模型可以近似成线性模型，然后在每一个设计点上采用传统的控制器设计方法(如PID，LQ方法)分别设计出一个线性控制器。因此，飞机动力方程非线性的影响可以通过在这些线性控制器间的切换来克服。最终通过预定的程序(如控制器的参数为飞机目前状态的函数)在这些线性控制器之间插值，得到一个完整的非线性控制律。但这种大包线飞行控制系统增益调度方案有很大的缺陷。其中的主要方面包括：1、增益调度程序必须在整个飞行包线内选取几十甚至上百个设计点，在每一个设计点上设计出一个线性控制器，因此设计周期长，并且重复工作较多，工作烦琐。2、按最优控制等理论计算，分别求得的有限个离散飞行状态点所对应的最优控制，经过增益调度程序不可能使得全部飞行状态的控制品质均最优。更为严重的是，增益调度程序缺乏稳定性的严格理论证明，在一些非设计点上，飞行品质十分恶劣，甚至是不稳定的。因此，这种方法一般是通过大量的仿真和飞行试验来验证飞机的稳定性和性能指标。3、关于在整个飞行包线内如何选取设计点问题，以及设计点在飞行包线上的分布问题，增益调度没有一套完善的理论可遵循，这给设计带来很大的困难。4、增益调度设计的适用条件是飞机参数变化缓慢，对常规军用飞机一般均满足，但对先进的大机动敏捷性战机而言，其参数变化并不缓慢。5、现有的增益调度方案，基本采用按动压调参或者按高度和马赫数调参。对经典的控制设计方法设计出的控制器比较容易调参，但是鲁棒控制器(如H-inf等)，并没有明显的结构或参数来供调整。

总之，增益调度控制是补偿己知非线性特性的一种有效方法，在这种方案中，调节器对变化的运行条件能作出快速的反应，但是增益调度方法的局限性在于控制器的参数是按开环方式改变的，没有来自闭环系统性能的反馈作用，当过程动态特性和扰动特性知道得不够精确时，这种方法就达不到预期的效果。由于增益调度控制的参数是以开环的方式变更的，所以采用增益调度控制系统是否应视为自适应系统尚有争议，有些学者认为这是一种特定类型的非线性调节器。可以预见，随着新型高性能飞机越来越复杂，将来采用传统的增益调度方法会越来越困难。

传统的增益调度设计通常采用将非线性设计任务分解成许多的线性子任务的分而治之(divide and conquer)方法，即首先是非线性系统在各操作点上线性化，然后针对每一个操作点设计适合的线性控制器，最后把这些线性控制器族组合在一起以控制整个非线性系统。

优点：它能够将线性鲁棒控制方法融入到非线性控制器设计中，在传统的增益调度设计中，关于局部控制器可以采用任何一种适合的线性控制器设计方案，如基于观测器的状态反馈控制器设计，H无穷控制器设计等等。

难点：如何连接局部控制器以实现对整个非线性系统的控制，一般用切换策略和插值方法。切换策略即求解多个典型工作点后形成一张调度表，系统在不同的运行区域使用不同的控制器进行控制；插值方法即在线性控制器之间进行插值，形成全局的非线性控制器。

不足：1、在局部线性控制器设计中，必须保证调度变量是缓慢变化的，但是对于“缓慢”并没有一个明确的定义，而且现在的飞行器的调度变量通常不是缓慢变化的；2、虽然在典型工作点可以采用多种线性控制器设计方法进行设计，但是并不清楚怎样设计线性控制器使得在插值后，整个被控系统显示出理想的性能；3、典型工作点设计出来的线性控制器只能保证工作点局部的系统性能，其他区域的控制器性能没有办法进行稳定性证明，只能通过大量的仿真验证。

如图1所示的控制系统可被描述为：