多变量的自适应扰动抑制方法及飞行器的湍流补偿技术

摘要

本论文主要研究多变量系统的自适应扰动抑制方法及其应用研究：飞行器的湍流补偿技术，主要从两个角度深入分析和研究相应的自适应扰动抑制技术：最小相位系统的扰动抑制控制和非最小相位系统的扰动抑制控制。
　　针对具有不确定的系统参数和不匹配输入扰动的最小相位系统，将进一步发展多变量的模型参考自适应控制(MRAC)技术，以建立一套基于MRAC的扰动抑制理论体系，同时将其用于解决飞行器的湍流补偿控制问题。主要内容有：
　　(1)针对具有一般形式关联矩阵的线性系统，研究基于多变量MRAC的扰动抑制技术，从而保证系统存在不确定系统参数和不匹配输入扰动的情况下仍实现期望的系统稳定和输出跟踪性能。首先，基于关联矩阵的结构形式，建立控制器设计的相对阶条件，此设计条件对发展状态反馈或输出反馈的MRAC控制器尤为重要。在此条件下，针对参数和扰动均已知的情况，研究标称的控制设计技术；针对系统参数和扰动均未知的系统，设计一套基于MRAC的自适应扰动抑制控制技术；同时，为了处理高频增益矩阵的不确定性，分别采用矩阵的LDS, LDU及SDU分解技术，以放松多变量MRAC的设计条件。所设计的自适应控制技术可以保证所有闭环系统信号是有界的，同时可以实现期望的扰动补偿和输出跟踪性能。
　　(2)针对大气湍流中的飞行器系统，研究一种多变量的自适应扰动抑制技术，从而保证飞行器在大气湍流中的安全飞行。为此，首先深入分析大气湍流中飞行器系统的线性和非线性系统模型特性及湍流风扰动的影响；进而，引入系统的控制相对阶和扰动相对阶，以推导出飞行器湍流补偿控制的关键设计条件。在此设计条件下，针对具有已知系统参数和已知扰动的系统，建立标称基于状态反馈的湍流补偿控制器，以实现理想的湍流补偿和输出跟踪；继而针对参数未知的情况，设计多变量自适应扰动抑制技术，以有效解决飞行器的湍流补偿控制问题。
　　(3)针对具有不确定的系统参数和不匹配输入扰动的多变量非线性系统，发展基于反馈线性化的自适应扰动抑制技术。通过定义系统的控制相对阶和扰动相对阶，引入非线性系统扰动补偿控制的设计条件。在相对阶条件下，针对系统参数和扰动均已知的情况，研究标称的基于反馈线性化的扰动抑制方案；进而，针对参数和扰动均未知的情况，设计基于反馈线性化技术的自适应扰动抑制方案，为此，引入自适应参数投影算法，保证控制增益矩阵估计值的非奇异性。最后，给出完整的稳定性分析；并将其用于解决非线性飞行器的湍流补偿控制问题。
　　针对具有不确定系统参数和不匹配输入扰动的非最小相位系统，采用LQ控制技术，建立一套基于控制分离的自适应LQ扰动抑制技术，并将其用于解决飞行器系统的湍流补偿问题和执行器故障补偿问题。主要内容有：
　　(4)考虑具有不确定系统参数和不匹配输入扰动的多变量连续线性系统，采用改进的哈密顿函数(Hamiltonian)技术，设计一种新的自适应LQ扰动抑制技术。首先，通过提出一种新的能量函数，建立一种基于控制分离的LQ控制框架。采用一种新的哈密顿函数，发展基于控制分离的有限时间和无限时间的LQ扰动抑制控制技术，以实现一种期望的控制分离。与传统的LQ控制技术相比较，进行系统性能分析。针对系统参数和不匹配扰动均未知的情况，发展基于控制分离的自适应LQ扰动抑制技术，并设计稳定的自适应律。将自适应LQ扰动抑制技术用于解决非最小相位的飞行器系统的湍流补偿控制问题，以保证飞行器的安全飞行。
　　(5)针对具有不确定的冗余执行器故障和不确定系统参数的离散线性系统，发展基于自适应LQ的执行器故障补偿方案。将执行器故障信号视为一种不匹配的外部扰动信号，从而将执行器故障补偿问题转化扰动抑制问题。通过引入一种新的能量函数，建立基于控制分离的LQ扰动补偿控制框架，即：将控制信号分为两部分，其一是为了保证扰动补偿(执行器故障补偿)，其二是为了保证系统稳定和输出调节。在此框架下，针对参数已知的情况，系统地发展基于控制分离的LQ控制技术，包括：有限时间LQ控制技术，无限时间LQ控制技术以及基于状态估计的LQ控制技术，同时给出详细的系统性能分析；针对系统参数和执行器故障均未知的情况，设计基于控制分离的自适应LQ故障补偿控制方案，并给出完整的稳定性分析。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 扰动补偿控制的研究现状

1.3 自适应控制的概念

1.4 自适应扰动抑制技术

1.5 亟待解决的科学问题

1.6 论文研究内容与结构

第二章 技术背景

2.1 引言

2.2 常见扰动信号

2.3 技术背景

第三章 基于矩阵分解的模型参考自适应扰动抑制设计

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 状态反馈输出跟踪设计

3.4 输出反馈输出跟踪设计

3.5 仿真研究

3.6 本章小结

第四章 飞行器系统的湍流补偿控制技术

4.1 引言

4.2 大气湍流中飞行器的系统模型

4.3 问题描述

4.4 标称的状态反馈输出跟踪设计

4.5 扰动补偿项 *K3 (t)的参数化

4.6 自适应的状态反馈输出跟踪设计

4.7 仿真研究

4.8 本章小结

第五章 非线性系统的自适应扰动抑制设计

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 标称的扰动抑制控制设计

5.4 自适应的扰动抑制控制设计

5.5 仿真研究

5.6 本章小结

第六章 连续系统的自适应LQ扰动抑制技术

6.1 引言

6.2 问题描述

6.3 标称的LQ最优控制设计

6.4 自适应的LQ控制设计

6.5 扩展的LQ最优控制设计

6.6 仿真研究

6.7 本章小结

第七章 离散的基于自适应LQ控制的执行器故障补偿

7.1 引言

7.2 问题描述

7.3 系统的参数化模型

7.4 标称的LQ最优控制

7.5 自适应LQ控制

7.6 仿真研究

7.7 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文