参数不确定飞行器控制系统鲁棒稳定性评估方法研究

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飞机和导弹等飞行器在飞行过程中的稳定性由设计的飞行控制系统保证。飞行控制系统的设计从概念到应用是一个复杂的,多约束的任务。飞行器在飞行过程中要面临质量、转动惯量、质心位置以及动压等参数的变化,传感器等元器件的参数也会随着外部条件(如温度)的变化而改变。飞行器控制系统鲁棒稳定性评估工作的目的是通过对飞行器控制系统的稳定性进行全面分析,验证在全包线范围内,在所有正常和故障条件下,以及出现可能的参数变化时,飞行控制系统是否能够正确运行并满足稳定性要求,并根据评估结果对控制系统的设计提出改进方案。传统的频域评估方法用Nyquist判据来检验控制系统的稳定性及幅值/相位稳定裕度。这种方法只能在不确定参数空间内有限的采样点处对系统稳定性进行评估,随着不确定参数数量的增加,计算量会呈指数式增长。传统频域稳定性判据只能对单输入单输出系统的稳定性进行判断,当飞行器通道间存在较大耦合时,得到的评估结果有可能是不准确的。有时还需要了解控制系统性能最坏情况时各不确定参数的取值,而这种情况不一定发生在采样点处,因此很难通过传统评估方法发现问题。研究人员当前提出的一些新型评估方法也存在一些缺点,基于ν-gap理论的评估方法计算结果较为保守,基于结构奇异值理论的评估方法在对不确定参数全部为实数时的飞行控制系统进行评估时难以得到准确结果。在对含有非线性环节的飞行控制系统进行稳定性评估时,需要进行大量的时域仿真,耗费很多时间,降低了评估工作的效率。  针对参数不确定飞行器控制系统鲁棒稳定性评估面临的问题,需要快速,高效和可靠的评估方法。本文对此展开研究并取得如下几方面的成果:  首先,利用控制系统复杂度的概念,在ν-gap距离理论的基础上提出了考虑控制系统复杂度的改进型ν-gap距离的概念,给出了改进型ν-gap距离的计算方法及有关性质,并对其性质进行了证明。利用改进型ν-gap距离将不确定参数对飞行控制系统稳定性的影响进行量化。评估结果表明基于改进型ν-gap理论的飞行控制系统评估方法计算更精确,降低了评估结果的保守性;  其次,提出一种遗传-模拟退火混合优化算法,同时具备遗传算法的全局搜索性能和模拟退火算法的局部搜索性能。经测试函数验证,在计算时间相差不大的情况下,混合优化算法的计算结果比遗传算法更精确。以飞行控制系统广义稳定裕度为性能指标,利用所提出的混合优化算法计算了飞行控制系统广义稳定裕度下界以及导致系统最坏性能的不确定参数组合;  接着,为提高LFT建模的效率,降低LFT模型的复杂程度,提出一种基于多输入多输出系统 Roesser状态空间模型实现的LFT建模方法。建模过程全部自动运行,可以实现对复杂系统的高效建模。通过实例证明通过所提出的LFT建模算法能够得到参数不确定系统的最低阶线性分式变换模型;  然后,针对结构奇异值理论在参数不确定飞行器控制系统鲁棒稳定性评估中存在的问题,提出基于斜结构奇异值(skewμ)理论的新型评估方法。提出将系统频率w看作是与其他不确定参数类似的实不确定参数,在此基础上构建参数不确定飞行器的状态空间表达式,并将某一频率范围内各频点的系统结构奇异值计算问题转化为一个单独的斜结构奇异值计算问题。提出两种方法分别用于计算斜结构奇异值的上、下界。利用所提出的新型评估方法,对含有不确定参数的高超声速飞行器控制系统鲁棒稳定性进行评估,验证所提方法的准确性和实用性。结果表明所提方法是一种高效且准确的飞行控制系统评估方法,适用于工程应用;  最后,针对含非线性环节的参数不确定飞行器控制系统鲁棒稳定性评估问题提出新的解决方法。首先提出将控制系统稳定裕度指标作为虚拟的系统不确定性引入评估模型。利用线性分式变换算法将评估对象分离为已知且确定的线性时不变系统G(s)和由参数不确定性、稳定裕度指标构成的虚拟不确定性以及非线性环节组成的有界因果算子D,原评估对象可以表示为G(s)和D的反馈互联系统。根据积分二次约束定理,可以在各频率处判断评估对象的稳定性。为提高计算效率,提出利用KYP引理将频域内的计算问题转化为线性矩阵不等式的求解问题。将所提出的评估方法用于含舵机饱和非线性环节的参数不确定飞行器控制系统鲁棒稳定性评估,评估结果表明这是一种高效的评估算法。
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