[发明专利]一种应用于无人机直流供电系统的有源稳定方法

说明书

本发明公开了一种应用于无人机直流供电系统的有源稳定方法，在不增加系统体积、重量和损耗的前提下，提高了无人机供电系统的稳定裕度。传统的有源稳定方法大多针对线性控制器进行修正，为解决非线性控制的有源稳定方法的设计问题，本发明首先通过精确反馈线性化方法构造了系统的积分线性误差模型，然后设计了非线性控制器，并将积分线性误差模型的状态变量补偿于控制量，实现了提高系统稳定裕度的目标，解决了非线性控制器有源稳定方法的设计难题。

技术领域

本发明涉及一种可应用于非线性控制的有源稳定方法。

背景技术

无人机在实际生活中有着广泛的用途，例如载荷运输、交通监控、地质勘察、在危险环境中执行任务等。不同于传统无人机，为了降低噪声、减小红外特性、延长航时、提高可靠性，越来越多的无人机采用电推进技术。电推进技术的核心是由电池、储能系统、电子负载和电机构成的供电系统。其中，电子负载和电机在严格的控制下可以等效为恒功率负载，而恒功率负载具有令系统不稳定的负阻抗特性。当无人机在爬升、扰流飞行时，恒功率负载的突增都会增加系统不稳定的风险。为解决由恒功率负载造成的不稳定问题、提高系统的稳定裕度，学者提出了两种分析方法，无源法和有源法。其中，无源法就是通过给系统串联或并联电阻、电容、电感等无源阻尼装置来提高系统的稳定裕度。虽然无源法具有简单、有效的优点，但是会增加系统体积、重量和损耗，尤其是当电阻和滤波电容并联时，电阻将电能通过热能耗散会大大降低系统的效率，减小无人机的航时；有源法是通过改进变换器的控制回路，进而增加系统的稳定裕度。而有源法又可以分为源侧补偿和负载侧补偿，这两种方法的区别是：一个是通过改进源变换器的控制回路，另一个是改进负载变换器控制回路。由于无人机供电系统负载种类繁多，因此通过改进源变换器的控制回路，可以实现较为广泛的应用。但是传统的有源法仅仅改进PI控制回路，针对目前广泛应用的非线性控制，却少有研究。本发明针对无人机供电系统源侧变换器的，提出了一种可以应用到非线性控制回路的有源稳定方法，既不增加系统体积、重量和损耗，又能改善系统的稳定裕度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为提高无人机供电系统的稳定裕度，本发明提出了一种可以应用到非线性控制回路的有源稳定方法，既不增加系统体积、重量和损耗，又能改善系统的稳定裕度，设计过程简单、系统，易于工程实现。

本发明的技术方案是：一种针对无人机直流供电系统的有源稳定方法，包括以下步骤：

步骤1：建立积分线性误差模型：

步骤2：基于积分线性误差模型设计满足李雅普诺夫稳定性的非线性控制器：

步骤3：设计有源稳定器，进而得到积分线性误差模型的控制输入：

步骤4：将控制输入v带入积分线性误差模型，进行比较计算，得到雅可比矩阵A；

步骤5：调节有源稳定器比例增益，使得A的全部特征值实部小于零且靠近虚轴的特征值为一对相同实根，即系统处于临界阻尼状态。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤1中建立积分线性误差模型包括以下子步骤：

子步骤1：针对无人机直流供电系统的一般模型：

其中，x是一个n阶的向量，表征系统的状态变量；u是一个标量，表征系统的控制量；y是一个标量，表征系统的输出量；f(x)、g(x)和h(x)为非线性光滑函数；

子步骤2：寻找输出函数z₁＝w(x)，且输出函数满足以下条件：

其中，L_fw(x)为h关于f的Lie导数，表达式如下：

当重复计算同一向量场，记为：