[发明专利]一种基于动态构建可达集的直接控制分配方法

说明书

本发明公开了一种基于动态构建可达集的直接控制分配方法，动态构建可达集的方法通过分部分、实时构建搜索过程中涉及到的可达集小面，而不是构建完整的可达集，极大地减小了计算量，提高了算法效率，存储空间也大幅减小，解决了可达集实时可变的复杂控制系统的控制问题。

技术领域

本发明属于控制分配技术领域，具体涉及一种基于动态构建可达集的直接控制分配方法。

背景技术

控制分配(Control Allocation,CA)技术常用来解决执行器冗余的控制问题，它能够将由控制律得出的虚拟控制指令合理的分配到各个执行器，进而实现控制目标。控制分配问题从提出至今已有20多年的发展历程，控制分配技术在汽车、船舶、航天器等多个领域的应用中取得了瞩目成果，而控制分配技术本身也经历了由线性控制分配到非线性控制分配、由静态控制分配到动态控制分配、由简单的单目标优化控制分配到复杂的多目标优化控制分配的发展过程。现常见的控制分配算法有显式分配方法、直接分配方法、非线性控制分配方法。

显式分配方法是在控制分配环节之前，首先对各个执行器施以线性的约束关系，降低控制分配的维度，使欠定方程组转换为正定方程组，从而减小解空间的大小，甚至直接得出确定解。但显式分配方法很难处理执行器受到最大偏转位置和最大偏转速率限制的问题，并且其能够实现的虚拟控制指令远远小于可达集，无法充分发挥执行器冗余配置的结构优势。

直接分配(Direct Allocation，DA)算法是由弗吉尼亚理工大学的Durham教授于1992年首先提出了，该算法的实现基于可达集(Attainable Moment Subset，AMS)的构建与运算。这种方法的优点在于它具有明确的几何意义，并且能够保证经直接分配算法得出的虚拟控制指令与期望虚拟控制指令方向相同。但该方法的缺点在于当系统执行机构冗余度较高时，其计算时间随着执行器的数目呈二次方增长，很难满足控制系统对实时性的要求。

非线性控制分配(Nonlinear Control Allocation，NCA)用以解决执行机构非线性情况下的控制分配问题。Doman等利用仿射函数逼近操纵面控制效能，并基于该方法实现了非线性控制分配的分配目标；对于执行机构角度失衡以及因此导致的控制效率矩阵不能确定的情况，Hu Qinglei等结合终端滑模控制方法提出了一种基于鲁棒最小二乘法的有限时间控制分配方法，实现了对空间飞行器的有效控制。

经过几十年的发展，控制分配技术在理论研究和工程实践上取得了重大成就，并进一步应用到了先进气动布局的飞行器、分布式电驱动汽车等众多领域。但是，当前的控制分配技术仍然存在着诸多问题，特别是在考虑操纵面受到偏转位置和速率限制条件下的受限控制分配，以及已有分配算法的实时性、准确性的提高等方面。因此，对控制分配技术，特别是在考虑操纵面受到偏转位置和速率限制条件下的受限控制分配技术进行更加深入的研究，对于先进气动布局的飞行器和分布式电驱动汽车等先进技术的发展具有重大意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于动态构建可达集的直接控制分配方法，可提高控制效率。

一种基于动态构建可达集的直接控制分配方法，包括如下步骤：

步骤一：取控制效率矩阵B中任意一对不同的列向量bi和bj作为参数，构建平面参数方程，可得到平面族；其中，B＝[b₁,b₂,...,bm]i,j＝1,2,...m且i≠j，m表示执行器的数量；

在平面族中随机指定一个初始小面，作为小面f；

步骤二：计算小面f各个顶点坐标；

步骤三：判断给定的期望虚拟指令v_d正方向和小面f是否相交，若相交，则进入步骤四；若不相交，找到虚拟指令v_d正方向与小面f最靠近的一条边，假设为AB，以AB作为相邻边构建出相邻小面f′并令其为小面f，返回步骤二；