（电力电子与电力传动专业论文）无人飞行器智能鲁棒飞行控制系统研究.pdf

a b s t r a c t a sg r e a tb e n e f i t sa r eg o tf r o mt h ea p p l i c a t i o n so fu a v ( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) ， e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o n si nm i l i t a r yf i e l d , m o r ca n dm o r ea r e n t i o ni sp a i dt ot h e d e v e l o p m e n to fu a v i nt h ew o r l d t oa c c o m p l i s ht h ec o m p l i c a t e dm i s s i o n ss a f e l ya n d e f f e c f i v e l y ，t h e r em u s tb ea na d v a n c e df l i g h tc o n t r o ls y s t e mf o ru a v t or e d u c et h e e f f e c t so ft h eu n c e r t a i n t i e sa n dd i s t u r b a n c e so nf l i g h tp e r f o r m a n c e sf o rm i n i m a lu a v , c l a s s i c a lc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e nr e p l a c e dw i t ho t h e ra d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d s g r a d u a l l y r o b u s td e s i g np r o c e s sr e q u i r e sb o t han o m i n a lm o d e la n ds o m ec h a r a c t e r i z a t i o no f t h em o d e lu n c e r t a i n t i e s ，s oi ti sd i f f i c u l tt og e taf a v o r a b l ep e r f o r m a n c eb e c a u s eo ft h e c o n s e r v a t i v ed e s i g n si ns y s t e mc o n t r o l l e r s n e u r a ln e t w o r k sc a r lb eu s e di nt h ec o n t r o l p r o b l e mf o rn o n l i n e a r , u n c e r t a i n t ys y s t e m 1 h ei n t e l l i g e n tr o b u s tc o n t r o l l e r , w h i c hd e a l s 诵t l lu n c e r t a i n t ya n dd i s t u r b a n c e , i s s t u d i e dh e r e ；s o m ef r u i t f u lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h eu a v sn o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s , w h i c hi sc o n s i s t e d b yas i xd e g r e eo f f r e e d o m ( 6 - d o f ) m o d e l ，i sb u i l ta n dl i n e a r i z e d i no r d e rt od e s i g nac o n t r o l l e rw h i c h s t a b i l i z e st h ef e e d b a c ks y s t e m ，t h eo p c h l o o pc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i r c r a rm o d e li s a n a l y z e di nt h i ss e c t i o n 2 t h ed e s c r i p t i o nm e t h o da n dc l a s s i f i c a t i o no fu n c e r t a i n t i e sa r ep r o p o s e d a n d t h e nt h i sd i s s e r t a t i o ns u r v e yt h et e c h n i q u eo f t r a n s f o r m i n gt h ep r o b l e mo f f l i g h tc o n t r o l t os t a n d a r dh 。c o n t r 0 1 t h eo u t p u tf e e d b a c ku s i n gh o oc o n t r o lt h e o r yw a sp r e s e n t e d t od e s i g nc o n t r o l l e rb yc h o o s i n gw e i g h tf u n c t i o nm a t r i x e s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h er o b u s tc o n 缸o l l e rc a l li m p r o v et h ec o n 打o lp e r f o m m c ee f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt o t h ec l a s s i c a lc o n t r o lm e t h o d s 3 u s i n gt h en e u r a ln e t w o r k sa b i l i t yt oa p p r o a c ht h en o n l i n e a rm o d e l ，an e ww a y t o a u g m e n t a t i o no f a ne x i s t i n gr o b u s tc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dc a ns o l v et h es m a l lu a v sc o n t r o lp r o b l e mi nt h ec o n d i t i o no f w i n d s 4 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sas i m p l eh e a d i n gt r a c k i n gm e t h o df o rt h el a t e r a l c o n t r o ls y s t e m t h ea f f e c t i o no f c o n t r o lp a r a m e t e r si ss u r v e y e da n de v a l u a t e d k e yw o r d s ：f l i g h tc o n t r o ls y s t e m ，u a v , r o b u s tc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k n l 符号表 符号表 足( d ，y e ，z 。) 地面坐标系( 地轴系) e ( 0 , x b ，y b ，元) 机体坐标系( 体轴系) e ( d ，儿，：。)速度坐标系( 速度轴系) v 空速 口 俯仰角 缈偏航角 滚转角 ，航迹倾斜角 z航迹方位角 航迹滚转角 口 迎角 夕 侧滑角 p滚转角速度 9俯仰角速度 ， 偏航角速度 甜，v ，wv 在机体坐标轴系上的分量 r ： 总空气动力 m ：总空气动力矩 g 飞机重力 q - - p v 2 动压 s 0 机翼面积 q 升力系数 c 。 阻力系数 c r 侧力系数 g 俯仰力矩系数 i x 彳加歹菇够硕士学位论文 q g 办 丁 口r 9 t m g l l 。ly ，iz l q 。l ，i 口 厅 坑 正 皖 互，0 ， 知 f ， 珊口 滚转力矩系数 偏航力矩系数 发动机安装角 发动机推力 发动机推力在飞机对称面0 内的投影于0 轴的夹角 发动机推力在飞机对称面m 。y 内的投影与对称面瓴间的 夹角 飞机质量 重力加速度 飞机转动惯量 飞机惯性积 飞行离地高度 飞行参考高度 飞行高度h 上的平均风速 飞行参考高度h 上的平均风速 升降舵偏转角 方向舵偏转角 副翼偏转角 发动机推力 短周期运动阻尼比 短周期运动固有频率 长周期运动阻尼比 短周期运动固有频率 x 第一章引言 1 1 研究背景 1 1 1 无人机的历史沿革 第一章引言 无人驾驶飞机( u a v - u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 是一种有动力驱动、不需人工 操作可重复使用的航空器。从1 9 1 7 年英国乌尔维奇军械学院研制成功世界上第一 架无人机到当前美国投入使用最先进的高空长航时无人机g l o b a lh a w k 全球鹰， 无人机完成了从单纯靶机到多用途无人机的发展过程。 1 9 8 2 年，以色列派出的美制“火蜂”无人机在叙利亚贝卡谷地导弹阵地上空 盘旋，轻易地获得了叙军阵地雷达频率特征，为以军后续战术打击提供了有效的 情报，成为叙以贝卡谷地之战的转折点，并为广大军事研究者奉为范例。无人机 的作用、地位以及潜在的军事价值得到了广泛的认可，并为无人机的迅速发展提 供了强大的动力，无人机越来越受到各国军方的重视。以色列在发展近程和中程 无人机方面积累了较多的经验，美国的远程无人机研制则处于领先地位。 由于其相对有人驾驶飞机的优越性，无人机使用范围扩展到了从军事应用到科 学研究的广泛领域。到目前为止，无人机己经在军用和民用两个方面得到了广泛 的应用。在军事方面，无人机主要用于靶机、侦察、校射、通信中继、电子战、 对敌攻击等；民用方面则主要用于气象探测、灾害监测、地质勘测、地图测绘、 交通管制和边境控制等。 r 进入9 0 年代，我国无人机技术也得到了迅速发展，西安爱生技术集团研制的 a s n - 2 0 6 ( 如图1 1 ) 多用途无人驾驶飞机，配套完整、功能齐全、性能先进、适 合野外条件使用；而w z - 2 0 0 0 “千里眼”无人侦察机( 如图i 2 ) 可在全天时全天 候条件下通过卫星向指挥部实时提供战区图像、电子情报，完成侦察和监视任务。 图1 1a s n - 2 0 6 多用途无人机 图i 2w z - 2 0 0 0 “千里眼”无人侦察机 ；f f 歹菇c 士i 争硕士学位论文 1 1 2 无人机的主要特点与功能 无人机的主要特点有“”： ( 1 ) 起降简单，可重复使用。无人机由机体、动力装置、飞行控制系统、有效 载荷以及起飞和回收装置组成，这使得无人机可重复使用，降低了使用成本。无 人机的起飞方式有短距起飞、垂直起飞和由其它飞行器携挂抛射等几种。无人机 由于体积小、质量轻，其滑跑距离要比有人机短得多，对跑道要求也不像有人机 那样严格，拓宽了无人机使用的范围和环境。 ( 2 ) 造价低，损失小。由于无人机体积小，造价通常只是有人驾驶飞机的1 0 。 无人机的飞行控制主要采用预先编制的控制程序自动控制飞行和遥控指挥站远程 控制两种方法。这就避免了人员伤亡和被俘的危险，使得其损失较小。 ( 3 ) 隐蔽性好，设计余度大。比起有人驾驶飞机来，无人机无论是体积、质量， 都比前者要小得多；另外，由于无人机在设计时不需要考虑人为因素的影响，系 统复杂度相对于前者较低，且可以最大限度的提高无人机平台的飞行性能，通过 各种飞行方式来增加隐蔽性和提高生存能力。 目前，得益于其强大的功能和使用成本的低廉，无人机已逐渐替代有人机在某 些领域的使用： ( 1 ) 侦察与电子支援。这是目前无人机最为广泛的领域之一，它利用其飞行高 度高，不易被对方发现的特点，对热点地区进行实时侦察、监控，通过交替在空 中进行侦察预警，为后方作战单元提供重要的情报资源。由于其续航时间长，在 战时也可为本地区作战部队提供通信中继服务。 ( 2 ) 电子战任务。电子战是海陆空天电五维现代战争中一种主要的作战样式， 并将贯穿战争的始终，有时可能对整个战争起着决定性的作用。无人电子干扰机 可担负作战中压制和干扰任务。 ( 3 ) 空中作战。随着无人机技术的成熟，美国提出了无人战斗机 ( u c a v 。u n m a n n e dc o m b a t a i r v e l l i c l e s ) 的概念，赋予了无人机对地攻击、空中 格斗、拦截导弹等过去认为只有有人机才能完成的任务，以更好的取代人的位置， 降低人员伤亡。 从目前世界各国对发展无人机的热心程度和对无人机功能研制的定位，以及其 各项关键技术的发展程度来看，无人机将不再只是一种附属和配角，而很可能在 一定程度上代替有人机，成为未来海战或海空战的主力，在侦察、空中格斗、电 子战等各个领域大显身手。 2 第一章引言 1 1 3 无人机飞行控制系统的发展趋势 无人机技术己趋于成熟，性能日趋完美。从2 0 0 0 年起，c l o u g h 。1 每三年一次 在a i a a “u n m a n n e du n l i m i t e d ”系统，技术和控制会议上发表一篇总结和展望 无人机发展概况的文章，指出当前无人机技术的研究热点和发展方向。概括地说 未来的无人机将是一种控制更加智能、价格更加低廉、飞行更加安全的飞行器。 无人机的用途由执行侦察任务扩展到执行多种打击任务之后必将演变成为一 种高效费比、攻防兼备的全新概念武器。而这其中，无人机飞行控制系统将扮演 着不可替代的作用。源于航空模型的无人机飞行控制系统，多年来一直停留在靶 机、侦察机等低速、小机动飞行的技术阶段飞行器系统设计对飞行控制系统的 要求仅停留在简单的控制增稳和操纵性能补偿，在这种情况下，基于小扰动线性 化方程的线性系统设计方法得到了普遍的应用。然而，随着现代科技术的发展， 各军事强国对无人机提出了更加复杂和困难的作战任务。其显著特点是具有高智 能决策系统、精确制导能力、快速突防、强攻防转换能力。要达到这个水平，相 应地要求无人驾驶飞机在飞行控制上，能完成复杂飞行轨迹的精确跟踪、大过载 快速机动、超低、超高空飞行等飞行任务。在这种情况下传统的飞行控制设计观 念已经不能满足这些高性能飞行的要求。 就小型无人机而言，由于机体较小，在飞行过程中受环境因素影响更大( 如风 的扰动、飞行参数测量误差等) ，甚至可能导致飞行不稳定，而飞行任务却要求无 人机具有非常良好的飞行品质。因而在无人机系统组成中，飞行控制系统的优劣 很大程度上决定了无人机机动性、操纵性和可靠性的高低。这使得对小型无人机 进行鲁棒控制方法的研究十分必要 1 2 飞行控制系统 1 2 1 飞行控制系统发展状况 早在莱克兄弟的飞行器问世时，就有了实现自动控制飞行的设想。1 9 1 2 年美 国的艾默尔斯派雷制成了第一台自动驾驶仪，用它保持飞机的稳定飞行。早期 飞机的自动控制就是采用自动驾驶仪稳定飞机的角运动。二次世界大战后，由于 战争机器的推动，飞机控制系统有了很大的发展，出现了各种控制方法。到目前 为止，飞行控制系统作为飞机航电系统最为重要的部分之一，已向着高度智能化、 高自主化、高余度化、高可靠性方向发展。了解飞行控制系统的发展状况，对于 我们研究、设计、分析飞行控制系统是有益的。 3 ；矿歹童z 乎硕士学位论文 经典的飞行控制系统定义为：它是这样一种飞机装置的组合，在满足飞行安 全要求的情况下，保证所有的飞行阶段及状态下，无论是由驾驶员操纵，还是由 自动控制系统操纵时，飞机是稳定的和可操纵的。飞行控制系统的主要目标是： 改善稳定性和操作性；改善飞行性能；改善飞机结构工作条件和乘员舒适性。 就飞行控制系统任务划分，控制回路可分为舵回路、稳定回路和控制回路三 类，具体功能如下： 控捌目路 穗定回路 ht 收机涸瞥七田母1 群卜 回 图1 3 飞行控制回路 舵回路是为改善舵机性能，引入内反馈，形成随动系统，简称舵回路。稳定 回路由舵回路加上敏感元件和放大计算装置组成自动驾驶仪，并与飞机组成新回 路。控制回路是在稳定回路基础上加上测量飞机重心位置和运动学环节组成的一 个新的大回路。 从应用于实际到现在的一百多年问，飞行控制系统无论在控制方法上，还是 在控制器件上都发生革命性的变化。在控制方法上，从开始简单的稳定器到飞行 阻尼器系统，再到增稳系统和控制增稳控制系统，以及在七十年代以后出现的随 控布局( c c v ，c o n t r o lc o n f i g u r a t i o n v e h i c l e ) 设计方法，即由飞机的气动结构设 计和发动机以及飞行控制等方面的专家和设计者在飞机的初始设计阶段就考虑飞 行控制系统对总体设计的影响，也称之为“主动控制技术”，随着这一概念的引入， 飞行控制系统在飞机设计中的地位越来越重要，其是否可靠直接关系到飞机的存 亡。在控制器件上，从开始的陀螺、机械连杆操纵，再到模拟计算机或模拟电路 操控，以及由数字计算机控制的电传操纵( f l y b y w i r e ，f b w ) ，并朝着自主化、高 可靠性、功能多样化方向发展。典型飞行控制系统结构图如图1 4 ： 图1 4 典型飞行控制系统结构图 4 第一章引言 1 2 2 经典控制设计方法 一个完整飞行控制系统设计要考虑到：系统稳定性，参考轨迹跟踪，扰动抑 制，噪声衰减，控制能量缩减，鲁棒稳定性，鲁棒性能。传统地，飞行控制系统 设计主要采用线性控制方法，并得到了深入而广泛的研究。经典的控制设计方法 ( 如根轨迹、b o d e 图) 当前仍是主要的飞机飞行控制系统设计技术，而且也满足 早期飞行控制系统的设计需要，即使后来发展起来的全包线自动驾驶仪和控制增 稳系统，仍能通过一定的工程简化处理来使用。通过飞行包线内的分段线性，离 线设计线性化控制器，满足特定操纵点系统模型动态性能和稳定性，并在实际控 制中进行拟合以得到实时控制规律，即所谓的增益规划方法( c _ r a i n - s c h c d u l i n g ) 这些经典设计方法由于长期使用，已为广大设计人员所熟悉，以致用于评价和鉴 定飞行控制系统性能和飞机品质的准则也大都建立在这一控制理论的概念之上， 如国军标1 8 5 8 6 有人驾驶飞机( 固定翼) 飞行品质，国军标2 3 4 7 9 5 无人通用规 范的对飞行器飞行品质的要求都是超调量，调节时间和稳态误差等经典控制概念。 1 2 3 鲁棒飞行控制理论 随着现代飞机飞行包线的不断扩大，飞机机动要求不断提高，飞机自身的稳 定性和阻尼特性变坏，飞机的操纵性能有所降低，各运动模块问的耦合更加密切。 大机动、大迎角飞行等概念的提出，控制系统变得更加复杂，常为多输入多输出 ( m i m o ) 系统，仅靠气动布局和结构设计已难以在整个飞行包线内满足飞行品质 规范的要求。且在实际工程设计中，总存在相对于标称系统的结构变异和参数摄 动，这一问题在现代飞行器设计中得到了工程界的广泛关注。 采用常规的设计方法将飞行器非线性刚体运动方程近似简化为线性定常方程 组，并用于线性控制器的设计，所得到的设计结果，往往不是控制系统的最优工 作点，不能很好的解决飞行控制系统在飞行过程中所遇到的模型误差，非建模动 态等问题。而近几十年来逐渐完善的鲁棒控制方法在给定模型误差上限的情况下， 设计反馈控制律，以保证系统稳定性和性能指标。 控制理论的研究经历了2 0 世纪4 0 年代的古典频域法，到6 0 年代的现代控制 理论，再到2 0 世纪末发展至今的后现代控制理论嘲。控制问题的研究一直套用“建 立被控对象的数学模型、分析系统的数学模型、依靠模型设计控制律”的模式， 被控对象的模型、性能指标和算法是问题研究的核心，并成为控制理论发展的基 础。与此同时也带了不可回避的问题，即“模型灾难”和“算法灾难”。 曰。鲁棒控制理论是在实有理函数空间( 即h a r d y 空间) 中，以某些评价函数 的无穷范数( h 。范数) 作性能指标，通过优化风，范数而获得具有鲁棒性能的控 ；f 出，量生乎颐士学位论文 制器的一种控制理论。h 。鲁捧控制理论的实质是为多输入多输出( m i m o ) 且具 有模型摄动的系统，提供一种频域的鲁棒控制器设计方法。k 鲁棒控制理论很好 解决了常规频域理论不适用于m i m o 系统设计及l q g 理论不适用于模型摄动情况 两个难题，近年来一直是控制理论研究的一个热点领域，取得了大量的成果 所谓鲁棒控制就是试图描绘被控对象的不确定性，并在不确定性允许的摄动 范围内综合其控制律，使系统保持稳定性和性能鲁棒。鲁棒稳定性是针对控制器量 提出的，是指足不仅能使标称被控对象g 稳定，而且对允许范围内摄动的被控对 象都稳定，即对于被控对象的数学模型集合中的每一个对象，控制器置都能保证 其内稳定，如图1 5 所示；鲁棒性能是指集合中的所有对象都满足内稳定和某种特 定的性能。在鲁棒控制理论中，这种特定的性能一般是指系统的日。范数，也就是 说，要求系统的j l 性能指标本身对系统的不确定性具有鲁棒性。 图1 5 鲁棒控制结构 e 。控制理论的思想由加拿大学者z m e s 提出，他在1 9 8 1 年发表的著名论文 可以看成是现代鲁棒控制特别是以控制的先驱，它以最优灵敏度，即干扰在输出 上影响最小作为e 。控制的基本思路。 纵观日。鲁棒控制理论的发展，可将其划分为三个阶段：第一阶段是队1 9 8 1 年加拿大入z a i i l e s 引入日。范数作为目标函数进行优化设计为标志，它进一步发展 了基于系统输入输出传递函数的稳定性理论，不但考虑系统的稳定性问题，同时 利用优化技术来降低系统对不确定性扰动的敏感性，这一时期的理论称之为经典 h 。鲁棒控制理论；第二阶段以1 9 8 8 年d 0 y l e 等人在全美控制会议上发表著名的 d g k f 论文为标志，它给出的直接状态空间法，把以控制方法归纳为两个r i c c 商 方程的解。并指出玑控制器复杂性的上界等于对象的m e m i l i 自由度，而这一 时期的理论称之为状态空间h 。鲁棒控制理论；第三阶段是以l m i 技术引入到矾 鲁棒控制中为标志的。l m i 方法的引入不仅降低了z ，帕控制器设计的限制条件，提 高了分析和设计的效率，并使f ，岫控制的研究领域得以扩展，如图1 6 所示。 乙 岛 国i 6 标准不确定性系绕 第一章引言 随着鲁棒控制理论继续深入研究发现，范数优化能有效地处理非结构型不确 定性问题，而对于结构型不确定性( 由对象的动态参数变化引起) 问题则具有保 守性。为了得到更好的控制器，两种新方法相继提出即回路成形方法和( 结构 奇异f 值) 方法。而u 分析方法是d o y l e 给出的解决当模型存在结构不确定时， 估计鲁棒性能的一种有效的分析工具，其基本思想是将一个具有回路多点独立的 有界范数摄动转化为一对角摄动结构，然后给出判断系统鲁棒稳定的充要条件 回路成形方法是通过选择权函数改善开环奇异值频率特性，实现系统的闭环性能。 1 3 小型无人机飞行控制方法 无人机进行远距离飞行或程控飞行所必需的飞行自动控制系统( a u t o m a t i c f l i g h tc o n t r o ls y s t e m ，缩写为a f c s ，简称飞控系统) ，是无人机的关键技术之一 1 3 1 小型无人机控制方法概述 随着将控制理论、新型计算机和传感器、气动布局等几方面结合起来的无人 机向小型化方向发展，无人机的飞行控制系统也逐渐向微型化、低功耗、低成本 的方向发展。目前用于实战的单兵携带的无人驾驶飞行器发展较快，主要基于成 熟的飞行控制技术，飞行控制系统重量可小到几百克重，成本低、功耗小。 一般的小型无人机飞行控制系统整个系统从器件上可以分为“”机载测控子系 统和地面遥控子系统，机载部分负责维持飞机的稳定飞行并提供遥测信息给地面， 地面部分根据飞机的状态做出下一步飞行的目标规划，并发送命令给机载部分， 同时为了确保安全，防止自主飞行机构失控，可添加由操作手控制的控制器。 常规无人机飞行控制系统的核心问题是研究由控制系统和飞行器组成的闭合 回路的静、动态性能。对小型无人机而言，由于机体较小，在飞行过程中受环境 因素影响较大( 如风的扰动、飞行参数测量误差等) ，甚至可能导致飞行不稳定 而飞行任务却要求无人机具有良好的飞行品质。因而在小型无人机系统组成中。 飞行控制系统的优劣很大程度上决定了无人机机动性、操纵性和可靠性的高低。 采用常规的设计方法将飞行器非线性运动方程近似简化为线性定常方程组， 并用于线性控制器设计，所得到的设计结果往往不是控制系统的最优工作点，不 能很好的解决飞行控制系统在飞行过程中所遇到的模型误差，非建模动态等问题。 1 3 2 现代控制方法 近几十年来逐渐完善的鲁棒控制方法可以解决上述问题。它在给定模型误差 上限的情况下，设计反馈控制律，以保证系统稳定性和性能指标，成为当前控制 ；f ，菇击毋硕士学位论文 方法研究的热点。 鲁棒控制方法虽然能解决无人机不确定性干扰的问题，但它的缺点是需要给 出标称模型和模型不确定性特征，且控制系统鲁棒性是以牺牲系统闭环性能为代 价。而小型无人机由于其自身特点在控制器设计过程中对系统动态特征的掌握往 往都不够全面，故常规鲁棒设计方法并不能很好的满足小型无人机的设计要求。 近年来由于其强大的连续非线性函数逼近能力，运用于一般控制策略的人工 神经网络( a n n ) 受到大家的关注，成为控制具有不确定性高非线性系统的最佳 选择。基于小型无人机运动方程非线性且动态特征先验知识不够充分这一事实， c a l i s e ”等提出的基于神经网络的飞行控制器设计方法可以在小型无人机控制器设 计中的充分的应用。在 7 】中，c a l i s e 简要介绍了基于神经网络飞行控制器设计当前 的研究情况，表明具有自学习能力的神经网络能很好地逼近未知非线性和不确定 动态。大量文献i s , 9 , 1 0 l 也验证了将神经网络运用于飞行控制器设计的可行性。 1 4 基于神经网络的飞行控制系统 在过去的十几年内，控制方法研究者开始利用如动态逆和反馈线性化等方法 来解决大量工程实际所遇到的复杂非线性问题。但下一代使用主动控制技术( a c t , a c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ) 的飞行器设计方法为控制系统设计带来了不小的麻烦。 例如在大攻角( a o a ，a n g l e o f - a t t a c k ) 飞行条件下，飞行动态模型特性将难于掌握； 另外，由于战斗损伤或元件失效造成的控制不稳定问题同样需要控制系统及时的 修复和保持。 将动态逆和反馈线性化用于飞行控制系统的主要障碍也在于非线性对象特征 的未知。这需要一个高自由度的力和力矩方程的实时获取，当前的计算机水平还 不能满足这样高的要求。且随着高性能飞行器的复杂度不断提高，这一控制器设 计方法将变得更加困难。故急切需要寻找一种不依赖于具体系统模型信息或高复 杂度增益规划的自适应控制方法。 1 4 1 小型无人机非线性问题 小型无人机由于其自身特点在控制器设计过程中对系统动态特征的掌握往往 都不够全面，实际控制中往往存在大量非线性过程，鲁棒控制方法虽然能解决无 人机不确定性干扰的问题，但它的缺点是需要给出标称模型和模型不确定性特征， 且控制系统鲁棒性是以牺牲系统闭环性能为代价。故常规鲁棒控制器设计方法并 不能很好的满足小型无人机的设计要求i ：( 1 ) 非线性系统本身包含了很多复杂 的物理现象，如自振荡、多平衡点等。( 2 ) 现实世界的物理和社会系统包含范围 8 第一章引言 越来越大，导致了这些被控对象越来越复杂。( 3 ) 非线性系统建模误差和外部环 境对系统扰动作用的存在性，由于建模方法的滞后性及非线性系统的复杂性，与 实际系统相比，非线性数学模型或多或少地忽略了一些部分，在这些被忽略部分 与外部扰动的共同作用下，整个系统用现有的线性系统理论控制将更加难以成功。 所有这些都导致了控制领域专家研究直接对非线性系统进行控制的方法，这 些方法主要包括经典理论方法、鲁里叶( l u r i e ) 绝对稳定性方法、李雅普诺夫 ( l y a p u n o v ) 方法、变结构控制方法及微分几何方法等，这些方法极大地推动了非 线性系统控制理论的发展，但在实际应用中往往还存在一定的局限性。 由此可见，相对于线性系统而言，非线性系统控制理论发展还很不成熟，这 主要是由于非线性系统本身固有的复杂性、建模误差及外部环境对系统扰动的作 用。如何设计满足系统性能和稳定性指标的非线性系统控制器，传统微分几何的 方法遇到了极大的挑战，在实际工程中还无法使用，引入其它方法将是解决这一 问题的有效途经之一 1 4 2 神经网络飞行控制 进入2 1 世纪以来，以模糊控制和神经网络技术为主的智能控制技术逐渐成为 控制领域研究的热点，是解决非线性系统控制闯题的主要手段。其中，人工神经 网络( a n n ，a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) 4 1 是一种自适应信号处理系统，它是一个具有 高度非线性的超大规模连续时间的动力系统。从上世纪4 0 年代神经网络被提出以 来，理论和技术都取得了巨大的发展，由于神经网络不但对任意非线性函数具有 近似逼近的特性，而且还有学习、记忆和并行处理能力，因此逐渐被应用在图像 处理、模式识别及数据分类等领域。 图1 7 神经网络飞行控制方法 正是由于其强大的非线性逼近能力，使用人工神经网络的控制率和设计方法 在飞行控制领域得到广泛研究。在【7 】中，c a l i s e 等总结了应用神经网络技术的飞行 控制器设计进展情况。仿真显示具有在学习能力的神经网络能够很好的适应飞行 器动态变化。大量文献也都在关注神经网络在飞行控制领域的应用，如图1 7 所 9 彳多考毋硕士学位论文 示，s t e i b e r g 和d i g i r o l 锄o l ”j 将其在飞行控制器设计中的使用分为了三个部分，虽 然在实际中这一分类并不明晰。 将神经网络应用与自动飞行控制系统，相对于增益规划等传统方法对飞行计 算机存储容量要求不高；且能实时补偿系统非线性和模型不确定性；最重要的是 通过其强大的非线性逼近和在线学习能力，使得设计者可以将大量非线性难题和 不确性问题交给神经网络，利用神经网络理论选择适当参数更新方法来解决。 1 5 作者所作的工作 本论文的所作主要工作包括； ( 1 ) 依据飞行力学基本理论，搭建小型无人机六自由度非线性控制模型，这其中包 括大气模型、地球模型、气动力模型、舵机近似、推力模型等。其中，由于相对 于一般飞行器，小型无入机极易受到大气紊流或风切变的影响，根据国军标1 8 5 8 6 有人驾驶飞机( 固定翼) 飞行品质中队大气紊流等定义，建立风场模型，以期尽 量真实反映小型无人机实际飞行条件。为后续控制器设计方法验证提供仿真平台。 ( 2 ) 通过在m a n a b 工作环境下对六自由度模型在某些飞行条件下的纵向、横侧向线 性化，得到一组线性化状态方程；在此基础上，对小型无人机特殊飞行条件下的 控制模型特征进行了分析，比较与国军标飞行品质要求的差距，总结控制器所需 完成的控制目标和控制方法。 ( 3 ) 通过对小型无人机特定飞行环境的分析。研究飞行控制方程外部干扰和参数不 确定性的特点，进行飞行器系统不确定性表示和稳定性分析，确定模型不确定性 表述方法。研究鲁棒控制系统的稳定性，设计鲁棒控制器并仿真验证。 ( 4 ) 分析在线性和非线性条件下鲁棒控制器的使用效果，探讨其针对小型无人机的 不足之处，设计利用神经网络进行控制量补偿的方法，搭建神经网络控制拓扑结 构，加入到鲁捧控制结构中，进行仿真比较。 ( 5 ) 基于小型无人机远程控制的特点，利用误差补偿原理设计一种简单横侧向德跟 踪控制方法，提高无入机控制效率。 1 6 论文章节安排 论文第二章主要建立了一个非线性全自由度的无人机控制模型，进行纵向和 横侧向的模态分析。通过对特定环境下系统不确定性描述和外部干扰分析，考量 了无人机模型的特征值特点和相位裕度、幅值裕度。分析表明在不确定性条件下， 无人机模型特性不满足品质要求，需要通过设计相应的控制器以达到控制要求。 针对智能鲁棒控制器的设计，首先要解决的一个重要问题是模型不确定性表 l o 第一章引言 述方法，这很大程度上决定了后续设计思路和最终设计效果。飞机系统建模过程 中的误差主要有参数误差，线性化误差，低阶近似等不确定性及外界干扰所造成 的实际系统和系统模型问的差距。 第三章详细介绍了鲁棒控制理论在飞行控制器设计中的使用，尤其是小型无 人机，介绍了各种不同的鲁棒控制器设计方法。 通过对不确定性分析，选取特定计算权值，设计鲁棒控制器。通过在外部噪 声，风紊流以及参数不确定性条件下的控制器仿真，评估其在不同条件下的使用 效果和不足。 第四章首先介绍了当前神经网络在飞行控制领域的应用情况，列举和分析了 几种常用的神经网络飞行控制模型，选择适用于前述鲁棒控制器补偿的神经网络 控制结构，网络模型和更新学习方法，并利用神经网络对非线性的近似能力在线 补偿模型误差，优化设计步骤。 对于所设计的神经网络控制器，通过数学分析以确定其系统稳定性，评估各 更新算法时间常数，以选择符合实际控制更新速度的权值调整算法。最后进行带 神经网络的无人机控制系统仿真，比较评估神经网络控制方法对控制系统的影响。 第五章介绍了一种简单实用的跟踪控制方法，通过分析跟踪原理得到实际控 制方案，用于小型无人机横向轨迹控制方法中。 第六章为论文工作总结与展望，对论文的所有工作进行了全面的总结，并对 该领域将来的研究工作方向进行了展望。 第二章飞机运动建模与不确定性分析 飞行控制系统设计的首要问题就是建立控制系统和飞机的数学模型。本章将 主要讨论在大气中飞行的小型无人机建模与运动特性分析，并对飞行控制系统中 存在的系统不确定性进行分析，研究鲁棒控制系统的稳定性和分析存在的条件。 2 1 飞行力学基础 刚体飞行器的空间运动可以分为两部分：质心运动和绕质心的运动。描述任 意时刻的空间运动需要六个自由度：三个质心运动和三个角运动。飞行动力学是 研究飞行器在有控制和无控制情况下的运动规律和总体性能。作为研究飞机飞行 动力学问题出发点的飞机运动方程，是对飞机运动规律的基本描述，而运动方程 建立的前提是在一定意义下的坐标系中定义表征飞机运动状态的参数嗍。 2 1 1 假设条件 建立飞机运动方程基本假设如下啪： 1 ) 认为飞机不仅是刚体，不考虑机翼、机身和尾翼的弹性自由度。而且质量 是常数。 2 ) 假设地面为惯性参考系，假设地坐标为惯性坐标。 3 ) 忽略地面曲率，视地面为平面。 4 ) 假设重力加速度不随飞行高度而变化。 5 ) 不计飞机绕流和发动机喷流的相互作用。 6 ) 不考虑飞机和地面( 起飞和着陆时) 之间的相互作用，这不仅涉及地面效 应，而且还涉及作用在起落架上的力。 7 ) 假设机体坐标系的x _ o - z 平面为飞行器对称平面，且飞行器不仅几何外形 对称，而且内部质量分布亦对称，惯性积l = l = 0 。 2 1 2 坐标系 作为在飞机上的重力、发动机推力和空气动力及其相应力矩的产生原因是各 不相同的，因此如何选择合适的坐标系来确切地描述飞机的空间运动状态是非常 重要的。通常常用的坐标系包括： ；fj i l j 爱乎硕士学位论文 地面坐标系( 地轴系) 兄( d ，) ，e ，) 原点d 取地面上某一点。0 轴处于地平面内并指向某方向，坐标o x 。表示航 程：o y 。也在地平面内并与傀。垂直，向右为正，坐标魄表示侧向偏离；立轴晓f 垂直地平面指向地心，坐标统，表示飞行高度。 机体坐标系( 体轴系) e ( d ，n ，z b ) 原点d 取在飞机质心处，坐标系与机体固连；o x b 在飞机对称平面内，与飞机 轴线平行，指向前；勿。垂直于飞机对称平面指向右方；立轴晓。在飞机对称面内， 且垂直于0 轴指向下方。 速度坐标系( 速度轴系) e ( d ，屯，儿，z o ) 速度坐标系又称为风轴系。原点d 取在飞机质心处，坐标系同样与飞机固连； 纵轴o x o 与飞机速度方向一致，立轴晚。在飞机对称面内垂直于0 轴指向机腹； 横轴o y o 垂直于x o o z 。平面指向右方 2 1 3 坐标系间的转换 在实际使用中，为了方便地描述飞机的空间运动状态，常需要对各坐标系进 行转换。其具体转换如下： 机体轴系与地面轴系的转换 俯仰角口：机体轴0 与地平面闻的夹角，抬头为正。 偏航角妒：机体轴0 在地面上的投影与地轴o k 。间的夹角，机头右偏航为正。 滚转角声：机体轴0 巩与包含机体轴0 的铅垂面间夹角，飞机右倾斜时为正。 表2 1 地轴系与机体轴系间的余弦表 0 m f回目晓f 仇6c o s w c o s o s i n f c o s o s i n o o y 。c o s t s i n o s i n 口l - s i n e c o s # s i n v s i n o s i n # + c o s 妒c o s #c o s s s i n ( 砣6 c o s c s i n o c o s # + s i n c s i n 妒s i n s i n 口c o s - c o s v s i n 口ic o s e c o s # 醛 图2 1 机体坐标轴系与地轴系之间的关系 速度轴系与地面轴系的转换 航迹倾斜角，：飞行速度矢量与地平面间的夹角，以飞机向上飞时的，为正。 1 4 第二章飞机运动建模与不确定性分析 航迹方位角z ；飞行速度矢量在地平面上的投影与0 吒问的夹角，以速度在地 面的投影在o x e 之右时为正。 航迹滚转角：速度轴0 与包含速度轴0 吐的铅垂面间的夹角，以飞机右倾 斜为正。 表2 2 速度轴系与地面轴系间的余弦表 图2 2 速度轴系与地面轴系之间的关系 速度轴系与机体轴系的关系 迎角口：速度向量在飞机对称面投影与机体轴o x b 的夹角，以速度投影在o x , 轴之下为正。 侧滑角：速度向量与飞机对称面的夹角，以速度处于对称面之右时为正。 表2 3 速度轴系与机体轴系问的余弦表 0 瓴o x bo z 6 o x o c o s 口c o s s t o ps i n 口c o s o y o c o s a s t o pc o s ps i n a s i n 母 晚。 一s i n a0 c o s 口 图2 3 速度轴系与机体轴系之间的关系 2 2 飞行器控制系统建模 一个完整的飞机模型包括：空气动力学，推力系统，结构，动态，其他机械、 液压、电子子系统，大气飞行条件等各个方面。以下对空气动力学，推力单元， ；fj i f 歹菇士乎硕士学位论文 舵机，大气飞行条件作简要介绍。 2 2 1 作用在飞机上的力和力矩 飞机在空气中飞行时，其表面分布着空气动力，这些力可以归纳为。一个作用 于飞行器质心处的合力( 即总空气动力) r ，和一个绕其质心的合力矩( 即总空气 动力矩) m ：。在空气动力学中，总空气动力匙垂直于来流方向，在气流坐标轴 中可分解为x ，y 和z ；以及总空气动力矩在机体轴系中分解为厶m 和，并 通过采用量纲气动力系数和量纲力矩系数来表示。 合力r ；与动压q = p y 2 ，机翼面积品成正比，表示为： x = e 鳓 ( 2 1 ) 其中c 表示相应的力系数。 合力矩与动压，机翼面积和平均气动力弦长成正比，表示为： 上= c l 鳓 ( 2 2 ) 1 、空气动力学 ( 1 ) 升力系数 c l = c l o + c ：。a + c 鲁6 t + c 鲁6 t + 静噼d + c i + c ：m ( 2 3 1 ( 2 ) 阻力系数 c o = c d 0 + 簪i - c 2 磊+ 略乏+ 眙吃+ 罐4 + c o m ( 2 4 ) ( 3 ) 侧力系数 c r = 钟+ c 产以+ 印4 + 万b 。r e p + q ，) ( 2 5 ) ( 4 ) 俯仰力矩系数 q = 巳。+ 口+ c ，6 r + 钟t + 等( 碟- 矗+ c ：。g ) + 哗m ( 2 6 ) ( 5 ) 滚转力矩系数 c i = c p + c ；5 0 + c ：6 r + ( c r t p + c f n ( 2 1 ) ( 6 ) 偏航力矩系数 c 。= c ：。p + c 8 0 + c o _ 6 r + 音：p + c ：n t 2 8 ) 2 、推力单元 飞机的推力一般由固联与机体的发动机产生。推力的大小通常是通过燃料的 质量流量和尾喷管的面积来控制的：发动机一般固定于飞机纵轴的方向，与机身 轴线形成发动机安装角外一般情况下发动机推力线不一定通过飞机重心。 第二章飞机运动建模与不确定性分析 推力中心位置即使推力和推力矩作用在飞行器上的位置，一般在机体坐标系 中表示为以，l ) 。发动机推力丁的偏置角吩和屏分别表示在飞机对称面o x b z ； 内的投影于0 轴的夹角，和在飞机对称面o x n y b 内投影与对称面c