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无人直升机LPV控制律设计

北京航空航天大学学报 2023年第4期49卷 879-890页

作者：段镖杨庶李爱军西北工业大学自动化学院西安710072

针对无人直升机航迹控制要求,提出一种基于线性变参数(LPV)控制理论的无人直升机一体化式飞行控制律设计方法,通过速度、侧滑角、高度和偏航角控制通道的显模型跟踪控制,实现无人直升机航迹控制。建立了无人直升机高阶非线性动力学模型... 详细信息

针对无人直升机航迹控制要求,提出一种基于线性变参数(LPV)控制理论的无人直升机一体化式飞行控制律设计方法,通过速度、侧滑角、高度和偏航角控制通道的显模型跟踪控制,实现无人直升机航迹控制。建立了无人直升机高阶非线性动力学模型,模型中考虑了旋翼桨叶挥舞和摆振运动、旋翼动态入流、机体运动之间的运动耦合,用于检验直升机高阶运动特性对控制律性能和闭环系统稳定性的影响。由于无人直升机的非线性动力学模型是典型的周期性系统,基于简谐平衡方法进行无人直升机的配平和模型线性化计算,在速度包线内得到用于控制律设计的无人直升机LPV模型,通过凸函数优化方法求解LPV控制律的参数。基于典型直升机机动,采用数值仿真方法对LPV控制律在传感器噪声影响下的控制性能进行检验,仿真结果表明:LPV控制律在速度包线内具有良好的控制性能和鲁棒性,无人直升机闭环系统在机动飞行中满足给定的性能要求。

关键词：无人直升机高阶动力学模型一体化式飞行控制鲁棒控制线性变参数控制显模型跟踪

高超声速飞行器线性变参数一体化式控制律设计

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上海交通大学学报 2022年第11期56卷 1427-1437页

作者：杨庶钱云霄杨婷西北工业大学自动化学院西安710072 北京空天技术研究所北京100074

针对高超声速飞行器的三维航迹控制问题,采用线性变参数(LPV)输出反馈控制和极点配置理论,基于高度-水平航迹控制概念,在马赫数包线内设计高超声速飞行器一体化式LPV控制律.该控制律不区分常规飞行控制律的内外控制回路,根据速度、高度... 详细信息

针对高超声速飞行器的三维航迹控制问题,采用线性变参数(LPV)输出反馈控制和极点配置理论,基于高度-水平航迹控制概念,在马赫数包线内设计高超声速飞行器一体化式LPV控制律.该控制律不区分常规飞行控制律的内外控制回路,根据速度、高度、侧滑角和偏航角指令对飞行器纵向和横航向运动进行综合控制,在L_(2)诱导范数意义下实现飞行器三维航迹的鲁棒最优控制.在地心地固参考系内建立高超声速飞行器的数学模型,考虑地球自转、地球扁率、地球引力二阶简谐效应对飞行器运动特性的影响.通过数值仿真检验LPV控制律的控制性能,仿真结果表明:高超声速飞行器闭环系统具有D-稳定性,能够在典型机动中保持良好的航迹控制性能,并且在扰动和测量噪声下具有良好的鲁棒性.

关键词：高超声速飞行器高度-水平航迹控制概念一体化式飞行控制线性矩阵不等式 L_(2)诱导范数线性变参数控制

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颤振主动抑制的LPV控制设计

振动工程学报 2018年第3期31卷 411-416页

作者：郑晓珂唐炜王立博王波西北工业大学自动化学院陕西西安710129

飞行器的气动弹性特性随飞行状态发生改变,因此,颤振主动抑制控制器需在一定的飞行包线内保证其控制性能。线性变参数(LPV)控制设计因其考虑了系统参数的时变特性而被广泛关注。在此基础上,一种LPV控制器设计方法被研究用于颤振主动抑制... 详细信息

飞行器的气动弹性特性随飞行状态发生改变,因此,颤振主动抑制控制器需在一定的飞行包线内保证其控制性能。线性变参数(LPV)控制设计因其考虑了系统参数的时变特性而被广泛关注。在此基础上,一种LPV控制器设计方法被研究用于颤振主动抑制,首先,针对原始气动弹性模型阶次偏高的问题,采用LPV斜投影法建立了低阶LPV模型;随后,在离散网格法基础上设计了LPV控制器;最后,以Goland Wing机翼为仿真模型验证了所提的LPV控制器设计方法,结果表明:采用该方法得到的LPV降阶模型可有效表征气弹系统的动力学特性,所设计的LPV控制器能够保证较宽飞行包线范围内颤振有效抑制。

关键词：颤振抑制气动弹性线性变参数控制降阶模型鲁棒

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基于平衡流形的反应釜建模与控制

基于平衡流形的反应釜建模与控制

作者：扎西嘉措河北大学

学位级别：硕士

连续搅拌反应釜(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)作为化工聚合反应的典型设备,广泛应用于石油化工、食品工业和合成气发酵等生产环节。其机理模型复杂,具有强非线性和耦合性。为实现有效的分析和控制,建立CSTR系统拟线性形式的... 详细信息

连续搅拌反应釜(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)作为化工聚合反应的典型设备,广泛应用于石油化工、食品工业和合成气发酵等生产环节。其机理模型复杂,具有强非线性和耦合性。为实现有效的分析和控制,建立CSTR系统拟线性形式的过程模型具有理论及现实意义。平衡流形展开(Equilibrium Manifold Expansion,EME)模型具有线性化模型形式,很大程度上保留系统的非线性特性,且基于过程数据的实验建模步骤成熟。本文为CSTR系统建立平衡流形展开模型,分析影响模型精度的因素、完成模型辨识和温度控制系统设计,主要工作如下:根据CSTR系统的工作原理建立CSTR的机理模型,分析反应过程的热稳定性并进行模型的无量纲化;利用CSTR机理模型表达式,分析平衡流形展开模型精度与映射方式的关系。利用CSTR机理模型仿真数据,使用两步法分别辨识平衡流形的静态参数和展开模型的动态参数,并分别建立CSTR系统状态空间形式与传递函数形式展开模型,验证模型精度;分别利用基于二次函数的最优控制(Linear Quadratic Regulator,LQR)方法和反馈线性化方法设计温度控制器,实现温度控制,仿真验证有效性;考虑实际工况下浓度状态值无法测量的情况,基于EME模型设计降阶观测器,仿真表明浓度观测值基本实现无差跟踪实际值。基于SMPT-1000实训平台完成辨识建模实验,设计制药合成工艺流程的基本控制回路,获取多个稳态工作点和扰动实验数据,辨识得到平衡流形频域展开模型,验证了模型精度。

关键词：平衡流形展开模型非线性系统辨识连续搅拌反应釜线性变参数控制

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高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

航空学报 2012年第9期33卷 1706-1716页

作者：张增辉杨凌宇申功璋北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为... 详细信息

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。

关键词：线性变参数控制切换系统高超声速飞行器大包线间隙度量滞后切换

基于平衡流形模型的涡扇发动机多变量控制研究

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基于平衡流形模型的涡扇发动机多变量控制研究

作者：吕铖坤哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着现代先进战机性能需求的不断提升,特别是在飞行器复杂的大范围变工况下,如何利用较小的控制能量,在满足高机动作战性能需求的同时,确保发动机各项安全裕度指标不超过限制,已经成为控制系统设计者们面临的重要问题。控制系统设计离... 详细信息

随着现代先进战机性能需求的不断提升,特别是在飞行器复杂的大范围变工况下,如何利用较小的控制能量,在满足高机动作战性能需求的同时,确保发动机各项安全裕度指标不超过限制,已经成为控制系统设计者们面临的重要问题。控制系统设计离不开大量的建模工作,航空发动机自身结构的独特形式,为其控制用模型的建立带来了不同于一般非线性系统的特殊性。平衡流形模型的提出旨在减轻传统线性变参数模型建立过程涉及的巨大工作量,并通过考虑系统内部变量,使模型能够进行控制系统设计的同时保留足够的系统非线性特性。本文以解决大范围变工况运行的航发对象多变量控制问题为目的,针对平衡流形模型向多入多出系统的扩展和基于该模型的多变量控制方法展开以下研究:首先,研究了平衡流形模型的辨识过程。通过归纳整理前人针对平衡流形模型的主要研究,给出了不同于一般线性化方法的平衡流形模型整体结构,介绍了平衡流形模型的主要性质,保证了通过该方法构造线性模型的可行性。针对具有复杂非线性的涡扇发动机对象,给出了多入多出平衡流形模型的主要结构,研究了动静两步法在多入多出平衡流形模型辨识中的应用,充分展现了调度变量组合方式对模型精度的影响,并得到了具有较高稳态、动态精度的平衡流形模型。平衡流形模型的研究工作为后续进行控制系统设计提供了模型基础。其次,针对高性能需求带来的航空发动机控制变量多样化,开展了基于平衡流形模型的多变量H∞控制研究。给出了平衡流形建模方法在获取线性状态空间模型上的实际应用,通过平衡流形的主要性质补全状态空间模型系数矩阵缺失的参数,获得可用于多变量控制器设计的线性结构形式。进行了开环特性仿真,利用稳定性分析和相对增益阵列分析的手段,得到了平衡流形模型用于控制系统设计的最终调度变量组合方案。仿真结果表明,在设计点处多变量控制器拥有较好的控制性能,然而,该控制器无法保证大范围变工况运行下系统良好的控制效果。研究给出了平衡流形模型的线性化应用,验证了基于此模型的鲁棒多变量控制在一定范围内的有效性,但也暴露出该控制方法的某些局限性,从而引出接下来的研究工作。再次,以平衡流形模型为工具,考虑线性变参数控制方法进行涡扇发动机多变量控制研究。探究了平衡流形模型这一考虑系统内部参数时变特性的非线性结构在线性变参数方法中的应用,基于平衡流形模型构建可用于鲁棒变增益控制器设计的线性变参数系统,通过状态扩展的方法获得基于平衡流形方法的涡扇发动机增广模型,令模型满足鲁棒线性变参数控制所需的假设。考虑了鲁棒变增益控制原理在多项式形式的线性变参数模型中应用面临的困难,在控制器设计过程中采用多胞技术,给出有限个多胞顶点以简化控制器求解过程。仿真结果表明,基于平衡流形模型得到的鲁棒变增益控制器,能够有效改善控制系统在内部参数变化时的系统输出性能,然而,飞行条件变化带来的系统非线性也应在研究中进行考虑。最后,针对上述研究结论,利用切换线性变参数控制方法,尝试在控制系统中加入飞行条件的变化特性,研究基于平衡流形模型的涡扇发动机多变量控制问题。给出了基于Lyapunov函数保证系统渐近稳定的充分条件,考虑共同Lyapunov函数的方法设计保证系统切换过程稳定的切换线性变参数控制器。研究为了降低控制器设计过程中的难度,提出了一种特殊的控制策略,将飞行条件高度和马赫数作为切换的指令信号,但不在结构上增加平衡流形模型的复杂性,即不改变单个平衡流形子系统的辨识过程,而是在整个切换系统考虑飞行条件带来的影响,通过大量仿真,找到高度和马赫数变化时系统的切换面。在两个平衡流形模型子系统之间考虑平滑过渡的切换过程,避免了切换过程出现抖振和明显突跳。控制结果表明,切换线性变参数控制器能够在任意方向上进行切换,并且在大范围运行包线内拥有良好的控制效果。

关键词：涡扇发动机平衡流形模型 H∞控制线性变参数控制切换控制

基于线性变参数方法的VSC-HVDC变增益附加阻尼控制器设计

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电网技术 2009年第2期33卷 73-77页

作者：马锋李国杰阮思烨孙元章电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京市海淀区100084

电压源型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统的直流附加阻尼控制器能够提高交/直流并联输电系统的稳定性,增大系统区域间的阻尼,但VSC-HVDC的非线性特性,使附加阻尼控制器的性能... 详细信息

电压源型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统的直流附加阻尼控制器能够提高交/直流并联输电系统的稳定性,增大系统区域间的阻尼,但VSC-HVDC的非线性特性,使附加阻尼控制器的性能受到影响。为解决这个问题,文中通过选取并联交流线路的有功功率作为变参数向量,应用线性变参数(linear parameter varying,LPV)方法,设计了VSC-HVDC的变增益附加阻尼控制器。仿真系统的特征值分析和时域仿真结果均表明:在系统运行方式大范围变化的情况下,文中所设计的LPV附加阻尼控制器能有效抑制交流系统区域间的低频振荡。

关键词：电压源型高压直流输电(VSC-HVDC) 线性变参数控制附加阻尼控制(SDC)