參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估方法研究.pdf

1、飛機和導彈等飛行器在飛行過程中的穩(wěn)定性由設計的飛行控制系統(tǒng)保證。飛行控制系統(tǒng)的設計從概念到應用是一個復雜的，多約束的任務。飛行器在飛行過程中要面臨質(zhì)量、轉動慣量、質(zhì)心位置以及動壓等參數(shù)的變化，傳感器等元器件的參數(shù)也會隨著外部條件（如溫度）的變化而改變。飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估工作的目的是通過對飛行器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行全面分析，驗證在全包線范圍內(nèi)，在所有正常和故障條件下，以及出現(xiàn)可能的參數(shù)變化時，飛行控制系統(tǒng)是否能夠正確運行并滿足穩(wěn)

2、定性要求，并根據(jù)評估結果對控制系統(tǒng)的設計提出改進方案。傳統(tǒng)的頻域評估方法用Nyquist判據(jù)來檢驗控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及幅值/相位穩(wěn)定裕度。這種方法只能在不確定參數(shù)空間內(nèi)有限的采樣點處對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行評估，隨著不確定參數(shù)數(shù)量的增加，計算量會呈指數(shù)式增長。傳統(tǒng)頻域穩(wěn)定性判據(jù)只能對單輸入單輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行判斷，當飛行器通道間存在較大耦合時，得到的評估結果有可能是不準確的。有時還需要了解控制系統(tǒng)性能最壞情況時各不確定參數(shù)的取值，而這種情況不一

3、定發(fā)生在采樣點處，因此很難通過傳統(tǒng)評估方法發(fā)現(xiàn)問題。研究人員當前提出的一些新型評估方法也存在一些缺點，基于ν-gap理論的評估方法計算結果較為保守，基于結構奇異值理論的評估方法在對不確定參數(shù)全部為實數(shù)時的飛行控制系統(tǒng)進行評估時難以得到準確結果。在對含有非線性環(huán)節(jié)的飛行控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性評估時，需要進行大量的時域仿真，耗費很多時間，降低了評估工作的效率。
　　針對參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估面臨的問題，需要快速，高效和可靠

4、的評估方法。本文對此展開研究并取得如下幾方面的成果：
　　首先，利用控制系統(tǒng)復雜度的概念，在ν-gap距離理論的基礎上提出了考慮控制系統(tǒng)復雜度的改進型ν-gap距離的概念，給出了改進型ν-gap距離的計算方法及有關性質(zhì)，并對其性質(zhì)進行了證明。利用改進型ν-gap距離將不確定參數(shù)對飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行量化。評估結果表明基于改進型ν-gap理論的飛行控制系統(tǒng)評估方法計算更精確，降低了評估結果的保守性；
　　其次，提出一種

5、遺傳-模擬退火混合優(yōu)化算法，同時具備遺傳算法的全局搜索性能和模擬退火算法的局部搜索性能。經(jīng)測試函數(shù)驗證，在計算時間相差不大的情況下，混合優(yōu)化算法的計算結果比遺傳算法更精確。以飛行控制系統(tǒng)廣義穩(wěn)定裕度為性能指標，利用所提出的混合優(yōu)化算法計算了飛行控制系統(tǒng)廣義穩(wěn)定裕度下界以及導致系統(tǒng)最壞性能的不確定參數(shù)組合；
　　接著，為提高LFT建模的效率，降低LFT模型的復雜程度，提出一種基于多輸入多輸出系統(tǒng) Roesser狀態(tài)空間模型實現(xiàn)的LF

6、T建模方法。建模過程全部自動運行，可以實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的高效建模。通過實例證明通過所提出的LFT建模算法能夠得到參數(shù)不確定系統(tǒng)的最低階線性分式變換模型；
　　然后，針對結構奇異值理論在參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估中存在的問題，提出基于斜結構奇異值（skewμ）理論的新型評估方法。提出將系統(tǒng)頻率w看作是與其他不確定參數(shù)類似的實不確定參數(shù)，在此基礎上構建參數(shù)不確定飛行器的狀態(tài)空間表達式，并將某一頻率范圍內(nèi)各頻點的系統(tǒng)結構奇異值

7、計算問題轉化為一個單獨的斜結構奇異值計算問題。提出兩種方法分別用于計算斜結構奇異值的上、下界。利用所提出的新型評估方法，對含有不確定參數(shù)的高超聲速飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性進行評估，驗證所提方法的準確性和實用性。結果表明所提方法是一種高效且準確的飛行控制系統(tǒng)評估方法，適用于工程應用；
　　最后，針對含非線性環(huán)節(jié)的參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估問題提出新的解決方法。首先提出將控制系統(tǒng)穩(wěn)定裕度指標作為虛擬的系統(tǒng)不確定性引入評估模

8、型。利用線性分式變換算法將評估對象分離為已知且確定的線性時不變系統(tǒng)G(s)和由參數(shù)不確定性、穩(wěn)定裕度指標構成的虛擬不確定性以及非線性環(huán)節(jié)組成的有界因果算子D，原評估對象可以表示為G(s)和D的反饋互聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)積分二次約束定理，可以在各頻率處判斷評估對象的穩(wěn)定性。為提高計算效率，提出利用KYP引理將頻域內(nèi)的計算問題轉化為線性矩陣不等式的求解問題。將所提出的評估方法用于含舵機飽和非線性環(huán)節(jié)的參數(shù)不確定飛行器控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性評估，評估結果