[发明专利]一种基于控制约束的扩展鲁棒H∞的无人机控制方法

说明书

本发明公开了一种用于固定翼无人机的控制约束的扩展鲁棒控制方法。该方法设计的控制器在对状态变量进行扩展后，不仅满足鲁棒控制理论要求的线性矩阵不等式下，还满足推导出的对控制量进行约束的矩阵不等式。原有的控制理论设计如果考虑控制量的约束，控制器的性能会受到很大影响，甚至会不稳定。本发明的方法得出在控制量存在约束时，控制器需满足的矩阵不等式。此外本方法还能够在确定最大干扰的情况下，对控制量进行具体的约束，为了在满足约束的条件下提高控制器的性能，还扩展了状态变量。仿真实例证明了本发明的对控制量具有约束，性能方面具有超调小，过渡平稳等优点。在无人机、工业机器人的控制方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于一种控制方法，特别是一种基于控制约束的扩展鲁棒的无人机控制方法。

背景技术

在无人机的控制方法领域，有很多的控制，在实际中用到的控制方法大多是基于PID的，PID控制的优点是不依靠模型，而且对于搭载的硬件运算能力要求不高，所以在实际中多采用PID进行控制。同时PID控制器结构上的简单性决定了它在控制品质上的局限性，并且这种简单性使得PID控制器对存在时滞和模型不确定性等被控对象的控制性能不是很好；此外，PID控制器无法同时满足指令跟踪和抑制扰动的性能要求。

起源于19世纪80年代的控制理论能够克服PID控制的缺点，能够在系统具有模型不确定性的同时满足指令追踪和扰动抑制的问题，而且具有很好的动态特性，也成功在无人直升机上成功使用。在实际使用过程中，因为控制理论是将扰动到控制输出的闭环传递函数的范数最小化，这个时候就会有控制量超出限制的问题，控制量超过限制后，就会导致控制效果不理想甚至不稳定。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种能够对控制量进行约束的鲁棒控制，在原有的保持鲁棒稳定性的基础之上，能够满足对控制量的约束，通过将误差积分加入状态变量来扩展状态方程，使控制器性能在存在控制约束的条件下能够保持。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有控制约束的控制方法，包括下面几个步骤：

步骤1、构建固定翼无人机非线性模型，该非线性模型包括12个状态量，分别是速度V、攻角α、侧滑角β、滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，滚转角速率p、俯仰角速率q，偏航角速率r，以及决定无人机位置的三个状态量[x_g，y_g，h]分别是前向位移，侧向位移和高度；

步骤2、将步骤1的无人机非线性模型进行线性化处理，得到线性化后的模型，写成系统的意义下的状态空间方程；

步骤3、确定电机转速舵机偏转角度的极限值u_max，然后构建控制量约束矩阵X；推导出控制量约束线性矩阵不等式；

步骤4、对步骤2中构建的线性化后的模型进行扩展，对需要进行指令追踪的状态变量进行误差处理，并且将误差积分项加入到线性化后的模型中进行扩展；

步骤5、选取性能指标γ₁，γ₂，Δ，将推导出的控制量约束线性矩阵不等式，与原控制方法要求的线性矩阵不等式联立得到新的线性矩阵不等式组，然后利用迭代的方法，不断用次优控制器去逼近最优控制器，最后得到满足控制量约束要求且使系统闭环稳定的鲁棒控制器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：在保留了控制理论在系统具有模型不确定性的抗扰动的特性基础之上能够对控制量进行约束，避免了执行机构饱和等问题对闭环系统产生的不利影响，在明确了最大干扰之后，还能够对最大控制量进行具体的约束。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明控制约束系统的控制流程图。

图2是本发明的寻优策略。

图3是本发明的的扩展方法。