1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上6.3.5 隱模型解耦控制外回路設計通過狀態(tài)反饋陣和前饋補償陣，實現(xiàn)了直升機的解耦要求。內(nèi)回路近似為四個獨立通道。外回路設計是建立在已經(jīng)設計好的內(nèi)回路的基礎(chǔ)上的，這樣外回路的設計得到簡化，可采用一般獨立通道的經(jīng)典單輸入單輸出（SISO）設計方法。此時四個通道的內(nèi)回路可近似地用對應的期望隱模型代替。如圖6-21所示。圖6-21 期望隱模型為內(nèi)回路的外回路結(jié)構(gòu)配置6.4 回路成形控制設計6.4.1 回路成形控制的基本結(jié)構(gòu)配置及設計方法回路成形 是一種有效的設計方法。它用于有人操縱的飛行器已有經(jīng)驗積累。也適用于多輸入多輸出直升機復雜的全包線自主飛行。并得到了飛行驗證?；芈烦?/p>

2、形控制基本結(jié)構(gòu)如圖6-22所示，它將經(jīng)典控制與現(xiàn)代魯棒優(yōu)化控制綜合在一個框架下，使直升機在全包線機動飛行范圍內(nèi)具有優(yōu)良的對輸入信號進行動態(tài)跟蹤及各通道解耦性能。圖6-22 回路成形控制的基本結(jié)構(gòu)圖6-22中G陣為被控對象在某工作狀態(tài)下的增量線性化動力學時不變模型。設置加權(quán)對角陣和對G陣的開環(huán)奇異值（相當于標量系統(tǒng)控制對象幅頻特性）進行成形。經(jīng)加權(quán)配置后成形的開環(huán)傳遞函數(shù)陣為，且 （6-41）加權(quán)陣在反饋通道中，包含了抑制飛機傳感器噪聲的低通濾波器和改善魯棒性的超前滯后校正器，加權(quán)陣在前向通道中，采用比例+積分（P+I）的控制律形式，其中積分環(huán)節(jié)用于提高低頻增益，以提高本通道的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，同時

3、對本通道工作時引起的其他通道的耦合輸出有穩(wěn)態(tài)解耦的性能，引入積分環(huán)節(jié)還有利于抑制作用于控制對象的干擾，并可實現(xiàn)飛機的自動配平。中引入的比例環(huán)節(jié)，與積分環(huán)節(jié)并聯(lián)，相當于給系統(tǒng)在根軌跡的S平面上引入一個零點，這樣可減少積分環(huán)節(jié)在截止頻率處的相位滯后。調(diào)節(jié)與的總增益則可將帶寬調(diào)節(jié)到適當范圍。成形后的開環(huán)系統(tǒng)應呈現(xiàn)低頻段高增益，高頻段低增益的特性，且具有理想的帶寬。高帶寬可適應直升機飛行速度提高后的機動飛行，以擴展到全包線飛行。按上述設計思想，對回路進行成形后，接著應設計控制器陣?？刂脐嚨囊?，應使到誤差的傳遞函數(shù)陣的范數(shù)的倒數(shù)達到最大。即 （6-42）式中為擾動輸入，為控制輸入，為擾動輸入下的輸出，

4、為控制輸入下的輸出誤差?？杀碚飨到y(tǒng)的穩(wěn)定裕度。應在0，1中選取，以表示系統(tǒng)要達到的魯棒性。由經(jīng)驗大于0.3為優(yōu)。對單輸入單輸出系統(tǒng)，值可對應一定的幅值裕度與相角裕度。文已證明，單回路的幅相裕度與的關(guān)系。其中幅值裕度，相裕度。因此對應的幅值裕度和40.9度的相角裕度。所以控制陣的引入，應使系統(tǒng)達到一定的幅相裕度的魯棒性指標。式（6-42）作為回路成形控制器設計的性能指標，其物理意義是十分明顯的。因為某函數(shù)的無窮范數(shù)的定義是 （6-43）所以對于標量系統(tǒng)，相當于該函數(shù)=到的所有幅頻特性的幅值之和。標量系統(tǒng)幅頻特性幅值的概念可擴展為多變量系統(tǒng)（矢量系統(tǒng)）的奇異值。對多變量系統(tǒng)，式（6-42）可保證系

5、統(tǒng)對各通道控制輸入作用下的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，也可保證對各種干擾的抑制能力，另外可實現(xiàn)對通道間的氣動耦合進行解耦。因為可將各通道間的氣動耦合看成干擾作用，也即氣動耦合干擾?；芈烦尚慰刂破鞯脑O計，應在達到式（6-42）所給定的穩(wěn)定裕度指標前提下，使系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)陣的奇異值曲線不會有明顯的改變，從而保持已成形的開環(huán)系統(tǒng)的奇異值特性。例如，以雅馬哈R-50中速機動飛行的直升機飛控系統(tǒng)設計為例，設計給出的控制器實際上是超前滯后網(wǎng)絡，其為0.36，對沒有明顯改變，如圖6-23所示。因此設計者開始設計時僅通過權(quán)陣與的選取，對開環(huán)系統(tǒng)進行成形即可。圖6-23 控制器對系統(tǒng)開環(huán)奇異值曲線的影響由于控制對象矩

6、陣G所對應的狀態(tài)方程為 （6-44）式中的狀態(tài)量，控制變量。則狀態(tài)陣將為矩陣，控制陣為矩陣。若選取這四個變量的控制通道為內(nèi)回路，則內(nèi)回路的將為的非對角傳遞函數(shù)陣，工程實現(xiàn)時應對它進行降階處理，并對設計結(jié)果進行性能仿真驗證。若不滿足閉環(huán)魯棒性及解耦品質(zhì)要求。則需對權(quán)陣進行重新修正，所以設計一般有反復調(diào)整的過程。求解的方法是建立在解線性矩陣不等式（LMI）的基礎(chǔ)上，這可借助于Matlab中的魯棒工具箱。6.4.2 內(nèi)回路的設計指標以小型直升機CMU R-50為例，由于配置了Bell-Hiller穩(wěn)定桿，它可視作俯仰與滾轉(zhuǎn)角的遲滯-速率反饋，故沒有另外引入俯仰速率（）與滾轉(zhuǎn)角速率（）的反饋。因此出現(xiàn)

7、了如圖6-24所示的內(nèi)回路，是將俯仰姿態(tài)角，橫滾姿態(tài)角，垂直軸速度（即）和偏航角速率作為被控制量?；芈烦尚卧O計完成后，應使各通道的所有閉環(huán)極點均在S平面的左半平面。解耦后的單個回路，幅值裕度應，相角裕度應，以保證魯棒性。 圖6-24內(nèi)回路控制結(jié)構(gòu)以CMU R-50無人直升機中速機動飛行時的內(nèi)回路設計為例，圖6-25為改系統(tǒng)解耦后的各通道的波特圖。 圖6-25 四通道的波特圖系統(tǒng)所確定的和對角陣的增益，應使開環(huán)系統(tǒng)的截止頻率在滿足穩(wěn)定裕度條件下，有盡可能大的值。例如對該系統(tǒng)，最終所確定的和為 （6-45） （6-46）這樣可保證四通道的帶寬均達到7rad/s。ADS-33E所規(guī)定的系統(tǒng)帶寬，定義

8、為在相位為時的頻率。表6-1將該系統(tǒng)所具有的與ADS-33E給出的指標進行了對比。表6-1 校驗系統(tǒng)的帶寬通道5.69.086.4本通道工作時引起的其它通道的耦合響應，如，等，應滿足ADS-33規(guī)范中的等級1的去耦響應指標。要求本通道作階躍變化時所引起的其它通道在4秒鐘內(nèi)離開配平值的峰值在一定范圍內(nèi)。亦即以及的值，表征通道間的解耦效應。表6-2給出了本系統(tǒng)計算值與規(guī)范值的比較。表6-2 校驗通道間的解耦各系統(tǒng)的動特性響應指標，ADS-33E規(guī)范也規(guī)定了，在系統(tǒng)輸入端加一脈沖，系統(tǒng)響應應在10秒內(nèi)回到峰值的10%范圍內(nèi)。由于內(nèi)外回路中，均具有積分環(huán)節(jié)。因此一般需設置抗積分卷繞回路（anti-wi

9、ndup loop）如圖6-24，6-26所示。這是由于舵機飽和后，若繼續(xù)積分會引起卷繞問題，使系統(tǒng)超調(diào)加劇且性能快速下降。反卷繞可使對象的實際輸入是的輸出與反卷繞信號之差，所以反卷繞可使舵機飽和后，不再積分。另外，可使有人操縱與自動飛行不同模態(tài)之間進行平滑切換。6.4.3 外回路設計技術(shù)直升機回路成形控制也是基于內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)的。內(nèi)回路提供穩(wěn)定與解耦，外回路在內(nèi)回路的基礎(chǔ)上，進行速度和軌跡控制。由于內(nèi)回路已設計成4通道輸入（）和4通道輸出（）的高帶寬的魯棒解耦系統(tǒng)。因此外回路可采用單輸入單輸出（SISO）狀態(tài)下回路成形法設計。結(jié)構(gòu)配置如圖6-26與圖6-27所示。設計時應對內(nèi)回路系統(tǒng)的動特性進

10、行簡化處理，即將各自的內(nèi)回路處理成已獨立的近似動力學模型。這可采用平衡模型截斷法（balanced mode truncation）等對閉合內(nèi)回路進行簡化處理。圖6-26 外回路的速度控制圖6-27 外回路的軌跡控制及航向角控制對以為控制量的外回路設計（見圖6-26），應滿足ADS-33E中規(guī)定的閉環(huán)響應的上升時間，以及幅值與相角裕度要求。外回路截止頻率均設定為0.8rad/s。權(quán)陣仍以比例加積分形式設置。與內(nèi)回路一樣，用二階濾波器抑制傳感器噪聲。由于是通過控制姿態(tài)角與來實現(xiàn)的，而被控的姿態(tài)角是有一定的限制范圍，因此也必然會對陣中的積分器產(chǎn)生卷繞。故也必須用經(jīng)典反卷繞回路加以抑制。圖6-28的（a）和（b）分別為和控制系統(tǒng)的階躍響應，其動態(tài)跟蹤的上升時間（ADS-33E定義為達到63.2%穩(wěn)態(tài)值的時間）分別為秒，秒。滿足ADS-33E標準（）。圖