[发明专利]一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法

摘要

本发明公开了一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法，结合经典控制理论以及现代控制理论的相关知识，设计固定翼无人机姿态控制器。控制回路包括PID控制器、低通滤波器、抗积分饱和器以及H∞控制器。PID控制器用在前向通道，提高系统的低频增益、减小稳态误差。低通滤波器用于反馈通道，主要用于抑制无人机传感器数据中的高频噪声。抗积分饱和器用来防止舵机输出饱和，影响飞行性能。H∞控制器用于提高无人机的姿态控制鲁棒性。实现固定翼无人机在复杂环境中以及无人机参数改变时保持鲁棒性，同时减小命令跟踪的误差，提高控制精度。

主权项

1.一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立小型固定翼无人机动力学和运动学的非线性模型，其中控制输入为小型固定翼无人机的升降舵偏角、方向舵偏角、副翼舵偏角，反馈状态量为小型固定翼无人机的俯仰角、滚转角、侧滑角；步骤2：在小型固定翼无人机水平无侧滑飞行条件下，将步骤1中得到的非线性模型进行解耦和线性化，得到小型固定翼无人机的状态空间模型及传递函数矩阵G；步骤3：进行小型固定翼无人机的姿态角控制回路成形设计，其中控制对象为步骤2得到的小型固定翼无人机的状态空间模型，对角的加权阵G₁和G₂分别选用PID控制器和低通滤波器，通过调整参数，使得成形后的系统开环传递函数G_new＝G₂GG₁的奇异值曲线达到期望形状，G₁在系统的前向通道，G₂在系统的反馈通道；步骤4：选定鲁棒控制性能指标ε_max，使得扰动D到误差C的传递函数矩阵无穷范数的倒数最大；使用MATLAB中的ncfsyn函数对成形后的开环传递函数G_new进行规范化分解,得到H∞控制器的次优控制器K_∞以及最大鲁棒稳定裕度ε_max；计算次优控制器K_∞的鲁棒稳定裕度ε，判断鲁棒稳定裕度ε是否满足ε＜ε_max且0.3＜ε＜0.4，如果不满足，则返回步骤3，重新调整参数，直至鲁棒稳定裕度ε满足条件，则进入步骤5；步骤5：保留H∞控制器K_∞的对角线元素并对其进行降阶，实现通道间的解耦；然后验证降阶后的控制器的鲁棒稳定裕度是否在0.3‑0.4范围内，若不满足，则返回步骤3，重新调整参数，直至降阶后的控制器的鲁棒稳定裕度在0.3‑0.4范围内；步骤6：将加权阵和H∞控制器K_∞组合，形成闭环回路，得到小型固定翼无人机控制器K＝G₁*K_∞*G₂，并在闭环控制回路中添加抗积分饱和器，防止舵机输出饱和；步骤7：检验小型固定翼无人机的时域指标，判断闭环控制系统的鲁棒性和稳定性是否满足需求，若不满足则返回步骤3重新调整参数，直至闭环控制系统的鲁棒性和稳定性满足需求，得到最终的小型固定翼无人机闭环控制系统。