直升机低阶鲁棒飞行控制器设计及仿真研究

为提高现代直升机的飞行安全、飞行品质和作战效能，以先进控制理论为核心的主动控制技术已成为直升机飞行控制技术发展的关键技术。直升机是一个高阶、非线性、严重耦合和静不稳定的多输入多输出复杂系统，在飞行过程中会遇到飞行条件、气动特性的变化及遭受多种不确定性干扰的影响，同时还必须严格满足品质规范ADS-33在时频域的多方面性能要求。因此，直升机需要设计鲁棒飞行控制系统。然而，采用鲁棒控制理论所设计出的控制器的阶次均非常高，难以满足工程实现要求。直升机低阶鲁棒控制器的设计问题本质上是一个非线性、非凸、多目标的优化问题，且存在的非凸秩最小化、频率加权函数优化及多目标全局优化等理论和应用问题尚未完全解决。本项目拟以直升机为对象，采用线性矩阵不等式、粒子群优化算法等为主要工具，对高阶多输入多输出系统低阶鲁棒控制器设计中的上述问题开展理论方法和仿真实验研究，为直升机鲁棒飞行控制系统的工程化应用奠定基础。

直升机是一个高阶、非线性、严重耦合和静不稳定的多输入多输出复杂系统，为使直升机安全、高效地完成飞行任务，需要采用现代鲁棒控制理论设计飞行控制系统。然而，采用H∞控制理论设计得到的直升机H∞控制器具有很高的阶次，难以满足工程实现要求。本项目把LMI、多模型控制、 H∞控制和粒子群优化算法等先进控制理论和智能优化方法结合起来，研究直升机低阶鲁棒飞行控制系统多目标优化设计与仿真问题，主要取得了如下成果：.（1）将基于LMI的H∞控制器设计问题表示成频率加权矩阵的多目标优化问题，通过粒子群算法优化找到同时满足时频性能要求的全阶H∞控制器。在此基础上，针对基于LMI的低阶H∞控制器设计所涉及的秩约束条件，将秩最小化问题转化为满足三个LMI的矩阵特征值之和的最小化问题，通过采用粒子群算法求解获得降阶H∞控制器。将其应用于直升机控制器设计，使得直升机飞控系统不仅具有稳定鲁棒性，而且满足ADS-33D水平1操纵品质要求。.（2）采用多模型切换控制方法进行低阶H∞控制器设计，将高阶非线性直升机飞行动力学模型表示成若干低阶线性子模型集合，对每个局部线性子模型采用LMI技术与粒子群优化算法优化加权阵相结合的方法设计H∞鲁棒控制器，最后采用模糊切换方法得到整个飞行区间内直升机H∞鲁棒控制器，仿真结果表明所设计的直升机飞行控制系统具有良好性能。.（3）将频率加权H∞模型降阶问题表示为LMI形式，并通过锥补线性化思想，将其转化成满足三个LMI的矩阵相乘的迹优化问题,可采用局部迭代或粒子群算法进行求解；亦将频率加权模型降阶问题表示成参数化的优化问题，并采用粒子群优化算法进行求解。在直升机的H∞控制器降阶设计应用中，仿真结果满足性能指标要求。.（4）采用滑模变结构控制理论，研究一类非线性仿射系统的滑模降阶鲁棒控制器设计问题，把初始系统降至可降的最低阶系统，构造出变结构控制律，从而提出了基于滑模降阶算法的低阶鲁棒控制器设计方法。将其应用于直升机鲁棒飞行控制器设计，得到了满意的仿真结果。.（5）开展了直升机低阶鲁棒飞行控制系统仿真验证。在Matlab/Simulink环境下采用FlightGear软件进行了三自由度直升机装置的控制系统仿真实验，在FlightLab平台上进行了数值仿真和半物理仿真验证实验，采用阶跃操纵作为输入，获到了满意的响应曲线，仿真结果验证了降阶H∞控制器设计方法的有效性。