自适应控制系统瞬态性能增强及在飞行器姿态控制中的应用

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:shouquanwenjian
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飞行器系统作为一类典型的多输入多输出、强耦合、非线性机电系统,在实际工况下常面临高频未建模动态和外部未知干扰等不确定性,而这些因素都将增加飞行器姿态控制系统设计的复杂性。针对这些实际系统中存在的典型参数不确定性,自适应控制提供了一个有效的解决方案,其优势在于可根据控制系统误差在线更新模型参数或者控制器参数,以适应系统内部动态或外界扰动等变化。然而,虽然自适应控制部分成果已被应用于不同类型飞行器的姿态控制中,但在控制过程中依然面临学习过程响应迟缓、高频抖振和控制瞬态周期过长等问题,制约了自适应技术在飞行器等机电系统中的应用。纵观现有研究成果发现,大多数自适应控制理论都聚焦闭环系统的稳态性能和跟踪误差的收敛性,对于闭环系统瞬态性能(如:上升时间、调节时间和超调量等)的定量分析则依然是领域内研究的难点。对实际工程实践而言,良好的瞬态性能是系统安全、快速进入稳态的重要前提。为此,本文从飞行器姿态控制对系统瞬态响应需求出发,以模型参考自适应控制为基本框架,探索可增强自适应控制系统瞬态性能的有效途径,从自适应系统的三个要素(学习机制、参考模型和控制器结构)出发,分别提出了三种提升自适应控制系统瞬态性能的有效措施。最后,将所得到的理论成果用于典型飞行器的姿态控制问题开展仿真和实验验证。此外,在实验室自主设计和研发了一套三自由度飞行器半物理仿真系统,用于开展相关的仿真和实验来验证所提出方法正确性和有效性。主要研究内容如下:(1)一类典型三自由度飞行器半物理仿真平台设计和集成。该三自由度飞行器半物理仿真系统是从真实飞行器中抽离出的一类简单模型,可用于在实验室对飞行器三个主要自由度(俯仰、滚动和偏航)的运动姿态进行模拟。本文先介绍该半物理仿真平台的机构设计和系统集成,并建立其数学模型。在此基础上,以该模型为对象分析影响自适应控制系统瞬态性能的因素以及现有系统瞬态性能分析方法的保守性,进而引入柯西-施瓦茨不等式和L2-范数,构建了基于柯西-施瓦茨不等式的自适应控制误差瞬态性能分析方法。最后讨论了增强自适应控制系统瞬态性能的几个有效途径。(2)针对传统自适应控制中参数估计收敛性慢或不收敛进而影响系统瞬态性能的问题,提出一类含参数估计误差信息的自适应律设计新方法。首先引入滤波操作和定义辅助变量获取参数估计误差信息的显式形式,然后将其用于构建一个新的泄漏项,并引入到基于梯度下降法的自适应律中构建一类含参数估计误差和系统跟踪误差的复合自适应律。该类基于参数估计误差的自适应律可确保系统模型参数快速收敛,进而实现了控制系统瞬态性能的提升。此外,提出了一种含参数估计误差的投影算法,将所构建的自适应律进一步拓展到含未知控制输入矩阵系统的自适应控制设计。(3)针对传统自适应控制系统中不确定动态难以得到快速补偿影响系统超调和上升时间等问题,提出一类含外部命令调节器的闭环参考模型自适应控制。在介绍传统闭环参考模型自适应控制系统基础上,基于柯西-施瓦茨不等式详细分析了其收敛性能以及由闭环参考模型所诱发的峰值现象。进而构建了一个含系统跟踪误差动态的补偿策略,并将其引入外部指令信号中得到一类新的外部命令调节器。该外部命令调节器可快速、有效补偿自适应系统中的不确定性动态,进而提升控制系统的收敛速度、降低超调,实现瞬态性能的改善。最后将所构建的外部命令调节器用于含未知控制输入矩阵的自适应控制系统。(4)针对传统自适应控制系统在采用高增益学习或存在高频动态时可能诱发系统高频抖动导致控制系统瞬态性能下降问题,提出基于一类频率选择机制的模型参考自适应控制用于克服高频动态对系统的影响。首先引入一类高频动态提取策略获取闭环系统中的高频动态信息,然后通过反馈将其引入控制器中实现对系统高频动态的有效补偿。该补偿项可允许采用较大的学习增益来实现快速在线学习而不会诱发高频振荡,进而实现了控制系统瞬态性能的提升。在上述理论研究的基础上,本文还以两类典型的飞行器系统(一类机翼摇滚飞行器模型以及实验室搭建的一类三自由度半物理仿真系统)为具体对象开展仿真分析,并在搭建的半物理仿真系统中开展了实验验证工作。结果表明,本文从学习机制、参考模型和控制器结构三个方面出发提出的三类控制策略均能有效提升其在飞行器姿态控制中的性能。本论文工作为提升自适应控制技术在飞行器等实际机电系统中的应用做出了有益尝试。
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