[优秀论文]空中无人飞艇的建模与控制方法研究.pdf

上海交通大学
博士学位论文
空中无人飞艇的建模与控制方法研究
姓名:欧阳晋
申请学位级别:博士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:席裕庚
20030901
上海交通大学博士学位论文
空中无人飞艇的建模与控制方法研究
摘要
本文以我国平流层通信平台的预研项目为背景对项目第一阶段的验证飞艇
即空中无人飞艇的建模和控制问题展开了研究
作为研究控制问题的基础飞艇数学模型的建立是必要和关键的这对于控
制策略的制定控制系统的设计都有着重要意义考虑到在飞艇研制的初期缺
乏实验数据所以本文采用机理分析的方法在详细分析飞艇受力情况的基础上
依据理论力学原理和运动参数之间的几何关系分别建立了飞艇的动力学方程和运
动学方程共同组成了完整的六自由度非线性运动方程作为飞艇的动态模型并
且对该模型进行了线性化和分组处理以作为研究飞艇控制问题的基础仿真结
果印证了这种处理的正确性
在研究飞艇的控制方案之前本文对飞艇本身的运动特性进行了研究根据
线性化模型分析了飞艇的运动稳定性和动态性能其中运动稳定性是指处于定
常运动状态的飞艇在没有控制输入作用的条件下受瞬时小扰动后受扰的运动参
数能否自行回到初始运动状态的性能动态性能是指飞艇在外部输入作用下的动
态响应特性对于运动稳定性的分析本文从研究系统矩阵特征值入手不仅对
飞艇在不同基准运动条件下的运动稳定性做出了判断而且还划分了飞艇扰动运
动的特征模态并揭示了它们的物理成因对于动态性能的分析则主要研究了
飞艇对控制输入的响应特性首先证明了飞艇的动态模型是结构能控的然后
通过传递函数及其频率特性来分析控制输入对飞艇特征模态的影响并通过仿真
研究了飞艇在控制输入下的响应特性验证了所得的结论
平流层平台的验证飞艇要求在无人操纵的条件下实现自动飞行虽然飞行自
动控制系统已经广泛应用于飞机和导弹中但并无成功应用于飞艇的先例本文
在这方面进行了初步探索首先介绍了飞艇飞行自动控制的概念然后以飞
- I -
摘要
艇线性化模型作为被控对象分别研究了其姿态控制和高度控制姿态控制可分
为俯仰姿态控制和偏航姿态控制分别以升降舵和方向舵偏转角作为控制量本
文对它们分别进行了控制律设计通过仿真发现采用经典控制方法设计的姿态控
制系统在飞艇模型参数以及工作条件变化较大时无法保证良好的控制效果因
此为了提高系统的鲁棒性本文采用基于 LMI 的方法对姿态控制系统进行了设
计并对所设计系统进行了有约束的多目标优化仿真结果显示所设计的鲁棒姿
态控制系统完全达到了设计目标对于工作点变化和参数摄动有较强的鲁棒性
为了控制飞行高度本文采用了通过升降舵控制俯仰角从而使飞艇抬头爬升或低
头俯冲下降的控制方式以姿态控制系统作为内回路并在外回路引入高度信号
作为反馈构成了高度控制系统所设计的高度控制律虽然十分简单但仿真结
果证明其能够起到良好的稳定和控制高度作用
在实际应用中要求平流层平台验证飞艇在升空后静浮于空中并实现定点
即在指定的范围内保持相对地面静止如果飞艇受到各种因素的影响而偏离定点
位置则需要依靠其自身的动力在控制系统的作用下回到定点位置并悬停于此
这就是定点控制的概念本文以非线性模型为对象分别设计了两种类型的飞艇
定点控制系统其一是采用遗传算法寻优的最短时间开环控制系统其二是采用
反馈线性化方法设计的闭环控制系统前者侧重于时间最短的控制性能但由于
是开环控制当出现参数摄动时系统的性能会受到较大影响后者由于引入了
飞艇轨迹的反馈信号因而相对提高了系统对参数摄动的鲁棒性计算量较小
并且仿真结果证实了这种闭环系统设计方案可以抑制参数摄动带来的影响与时
间最优开环控制系统相比显著提高了控制精度改善了控制效果

关键词空中无人飞艇建模姿态控制高度控制最短时间定点控制闭环
定点控制
- II -
上海交通大学博士学位论文
Research on Modeling and Control of an Unmanned Airship
ABSTRACT
Airships have wide applications in the fields of transportation, observation, and
munication services, etc. Now, the unmanned airship can also be used for the
stratospheric platform. With the background of the stratospheric platform R&D project
in China, an unmanned airs