飞行/推进综合控制系统优化设计方法研究

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飞行/推进综合控制是未来飞行器控制发展的趋势。本文以遗传算法为优化工具,研究了飞行/推进综合控制系统的集中控制和分散控制两种控制结构的控制器优化设计问题。集中控制将飞机和推进系统看作一个整体并设计一个全局控制器。它能够代表系统最优的性能,但存在控制器复杂、工程应用困难等问题。分散控制分别设计飞机和发动机控制器,降低了控制器复杂程度,但存在二者之间如何配合才能使性能最优的问题。为了同时满足性能要求和易于工程应用,本文将集中与分散两种控制方法结合起来设计综合控制系统。首先,研究了飞行/推进综合系统集中控制器的优化设计问题。提出了采用遗传算法优化设计飞行/推进综合系统集中控制器的方法,该方法通过采用遗传算法搜索最优加权矩阵参数,获得了满足美军固定翼飞机水平1要求的H∞控制器。所获得的飞行/推进综合控制系统的性能指标将作为分散控制系统设计的性能参考。采用遗传算法保证了集中控制系统获得最优性能,并提高了控制器的设计效率。其次,研究了飞行/推进综合系统分散控制器的优化设计问题。为了方便处理发动机对飞机的耦合作用,采用递阶分散的控制结构,提出一种分散控制器的优化设计方法。在递阶分散控制结构中,分析选取了最为简单有效的接口变量,简化了接口变量跟踪控制器的复杂程度;分析了影响系统性能的关键因素,推导得到了以频率加权矩阵为设计参数的分散控制的性能表达式,将分散控制器设计转化为优化问题,采用遗传算法求解得到最优分散控制器,达到了与集中H∞控制系统相同的性能指标。该优化设计方法有效地避免了设计过程的反复迭代。最后,讨论了飞行/推进集中控制系统和分散控制系统的稳定鲁棒性问题。考虑模型的不确定性,分别采用小增益定理方法、奇异值方法和结构奇异值方法对集中控制系统的稳定鲁棒性进行分析和评估。通过比较可以看出,结构奇异值方法更具有非保守性,能够反映实际系统的鲁棒性。通过系统仿真和结构奇异值方法分析表明,所提出的优化设计方法可以使分散控制系统达到集中控制的性能和鲁棒性。
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