基于H∞增益調(diào)度的三自由度直升機(jī)的建模與控制

章途潮+金聰聰+上官文昌

摘 要：針對加拿大Quanser公司生產(chǎn)的三自由度直升機(jī)，設(shè)計(jì)一種基于LPV模型的H∞增益調(diào)度的控制方法。首先建立直升機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)化為多胞形式，設(shè)計(jì)H∞增益調(diào)度控制器，應(yīng)用MATLAB的LMI工具箱求解控制器參數(shù)。再根據(jù)性能要求選擇權(quán)重函數(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)反饋回路，并在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，具有良好的跟蹤響應(yīng)，且系統(tǒng)具有優(yōu)越的抗干擾性能。

關(guān)鍵詞：三自由度直升機(jī)；H∞增益調(diào)度；多胞模型；閉環(huán)反饋

引言

直升機(jī)控制系統(tǒng)具有多變量、高耦合、非線性等特點(diǎn)，是較為復(fù)雜的控制對象[1]。文獻(xiàn)[2]中，作者根據(jù)自適應(yīng)控制將PD控制器進(jìn)行改進(jìn)，引入無差拍算法消除動態(tài)性能差影響，對三自由度直升機(jī)俯仰角進(jìn)行控制研究。文獻(xiàn)[3][4]中的傳統(tǒng)控制理論，單一的LQR控制器仿真效果不好，需要與PID算法結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)態(tài)性和快速性。針對傳統(tǒng)控制方法的不足，本文通過H∞控制理論[5]設(shè)計(jì)一種變增益調(diào)度控制器進(jìn)行研究分析。

1 LPV系統(tǒng)動力學(xué)建模

1.1 高度軸的運(yùn)動分析與建模

高度軸的運(yùn)動位于垂直平面，依靠兩個(gè)前后電機(jī)的力進(jìn)行升降。高度角定義為平衡桿與水平面的夾角，以符號ε表示。根據(jù)力矩平衡方程能夠得到：

Jε■=KfL2（U1+U2） （1）

其中，■為高度角加速度；高度軸轉(zhuǎn)動慣量Jε=M1L22+M2L22+MwL12=2M1L22+MwL12；配重塊質(zhì)量為Mw；Kf為電機(jī)推力系數(shù)；U1和U2分別為前后電機(jī)的電壓。

1.2 俯仰軸的運(yùn)動分析與建模

對于俯仰軸的控制，與直升機(jī)當(dāng)前的高度和旋轉(zhuǎn)的角度無關(guān)。

■=■ （2）

其中，■為俯仰角加速度；俯仰軸轉(zhuǎn)動慣量Jρ=2M1Lc2；Lc為基座到電機(jī)距離。

1.3 旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動分析與建模

同理，建模方程如下所示：

■=■cos（ε）ρ （3）

其中，■為旋轉(zhuǎn)角加速度；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動慣量Jλ=2M1Lc2+2M1L22+MwL12。

1.4 基于LPV系統(tǒng)的三自由度直升機(jī)建模

選取狀態(tài)變量x=[ε ρ λ ■ ■ ■]T，其中，ε為高度角、ρ為俯仰角、λ為旋轉(zhuǎn)角、■為高度角速度、■為俯仰角速度、■為旋轉(zhuǎn)角速度；系統(tǒng)的輸出變量和控制輸入u=[U1 U2]T，y=[ε ρ λ]T，其中，U1、U2為直升機(jī)的前后電機(jī)的輸出電壓。易得該系統(tǒng)的LPV狀態(tài)空間模型：

（4）

其中：

2 H∞增益調(diào)度控制器設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵，如何根據(jù)不同的實(shí)測值實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變參數(shù)。本文提出一種基于LPV模型的H∞增益調(diào)度控制器。同樣，在該系統(tǒng)中，一個(gè)適宜的權(quán)重函數(shù)，也關(guān)系著控制器的控制性能。參數(shù)可變的控制器表示如下：

（5）

MATLAB中系統(tǒng)矩陣可以表現(xiàn)為多胞形式[6]：

其中Πi可知為參數(shù)空間的頂點(diǎn)。

在這種情況下，對于一個(gè)給定的參數(shù)向量θ凸分解后，控制器的狀態(tài)空間能由頂點(diǎn)系統(tǒng)矩陣線性組合得到。參數(shù)頂點(diǎn)控制器表示如下：

在該時(shí)間點(diǎn)θ（t）的控制器矩陣Ak（θ），Bk（θ），Ck（θ），Dk（θ）能夠通過Ak（Π），Bk（Π），Ck（Π），Dk（Π）的值得到，可由LMI工具箱[7]求解。

權(quán)重函數(shù)的選擇關(guān)系著控制器的控制性能。在系統(tǒng)中增加兩個(gè)權(quán)重函數(shù)環(huán)節(jié)，一個(gè)積分環(huán)節(jié)，很好地消除靜差；一個(gè)低通環(huán)節(jié)，降低噪聲的干擾。

3 系統(tǒng)仿真及分析

通過MATLAB仿真，結(jié)果如下圖所示：

實(shí)驗(yàn)表明，如圖1所示，在階躍輸入下，高度角ε沒有靜態(tài)跟蹤誤差，動態(tài)性能也優(yōu)異，穩(wěn)定時(shí)間在1s左右，超調(diào)量較小；在正弦輸入下，因此，本文的控制器有優(yōu)越的跟蹤性能。

4 結(jié)束語

本文首先對直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)建模，轉(zhuǎn)化為仿射參數(shù)依賴形式的LPV模型。然后設(shè)計(jì)H∞增益調(diào)度控制器，并用MATLAB的LMI工具箱求解控制器參數(shù)。再根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求選擇合適的權(quán)重函數(shù)，構(gòu)成閉環(huán)反饋回路，搭建Simulink仿真環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的H∞增益調(diào)度控制器能穩(wěn)定控制三自由度直升機(jī)，且抗干擾性能滿足預(yù)期的要求，驗(yàn)證了該方法的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]武俊峰，賈婧媛.三自由度直升機(jī)模型自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（02）：35-40.

[2]Rini Akmeliawati， Safanah M. Raafat. Optimized state feedback regulation of 3DOF helicopter system via extremum seeking[C]. 2013 9th Asian Control Conference（ASCC 2013）.June 23-26，2013：1108-1112.

[3]趙笑笑.基于三自由度雙旋翼系統(tǒng)的控制方法研究[D].西華大學(xué)，2006.

[4]丁春龍.三自由度直升機(jī)建模及控制方法研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[5]謝光華，曾慶福.基于LMI的航空發(fā)動機(jī)魯棒H∞控制器設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2000（02）：175-178.

[6]虞忠偉，陳輝堂.機(jī)器人多胞變增益輸出反饋H∞控制[J].控制理論與應(yīng)用，2003（06）：925-932+937.

[7]俞立.線性不確定系統(tǒng)的最優(yōu)保性能控制——線性矩陣不等式處理方法（英文）[J].控制理論與應(yīng)用，2000（03）：423-428.

作者簡介：章途潮（1996，09-），男，籍貫：浙江省溫州市，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：控制工程與科學(xué)。