基于代数图论和仿射T-S模糊模型的分布式驱动变形翼协同变形控制

Distributedly-actuated morphing wings need to be dirven by cooperative morphing controllers to achive continuous and smooth shape changing during the whole morphing process, which is of siginificant importance for enhancing aerodynamic performance of morphing aircraft. The existing research on cooperative control is not appliable to distributedly-actuated morphing wings, which is a kind of complex nonlinear coupled multiagent system. This research project proposes a new method to design the cooperative morphing controller based on algebraic graph theory and affine T-S fuzzy models. The nonlinear coupled multiagent system model of a typical kind of distributedly-actuated morphing wings is to be constructed. Based on this, the interconnected affine T-S fuzzy model with high accuracy will be derived, and the complex couplings will be described by graph. Based on algebraic graph theory and affine T-S fuzzy model theory, in the framework of linear matrix inequality method, the design method of robust cooperative morphing control rules is investigated to guarantee the morping wing to reach continous and smooth shape during the whole process. Then, by using the properties in algebraic graph theory and the coupling transformation approach, the dimensionality reduction of the cooperative control design conditions is to be studied. The control design conditions with small dimension will be obtained to enhance the practicability of the theory. The theoretical results will be tested and verified on a distributedly-actuated morphing wing experimental platform.

通过协同形状控制实现分布式驱动变形翼在整个变形过程中的连续与平滑变形，对提高变体飞行器气动性能具有重要意义。目前已有的协同控制研究成果不适用于分布式驱动变形翼这类具有复杂非线性耦合的多智能体系统。本项目提出了一种基于代数图论和仿射T-S模糊关联模型的协同变形控制律设计新方法。对一类具有代表性的分布式驱动变形翼建立非线性耦合多智能体系统模型；以此为基础构建系统的高精度仿射T-S模糊关联模型；用图的概念描述模型中的复杂耦合关系。针对变形翼仿射T-S模糊关联模型，基于代数图论和仿射T-S模糊模型理论，以线性矩阵不等式方法为框架，研究变形翼的鲁棒协同变形控制律设计方法，保证变形翼在整个变形过程中的连续、平滑变形。充分利用代数图论中特殊矩阵的性质并结合耦合项变换方法，探讨协同变形控制律设计条件的降维方法，以获得低维控制律设计条件，提高理论的实用性。在分布式驱动变形翼实验平台上验证主要理论成果。

变形翼飞行器根据飞行环境和任务要求而自适应地调整变形部件的气动外形，能够始终保持良好的飞行性能并能满足多任务飞行的需求。通过协同形状控制实现分布式驱动变形翼在整个变形过程中的连续与平滑变形，对提高变体飞行器气动性能具有重要意义。本项目对分布驱动变形翼的动力学建模、协同变形控制设计和实验平台研制进行了研究。主要研究内容有：（1）运用牛顿力学和分析力学方法建立了分布式驱动变形翼飞行器的非线性耦合动力学模型；运用代数图论的概念描述分布式驱动变形翼各单元间的耦合关系，基于T-S模糊理论，对分布式结构变形翼建立了便于控制设计的T-S 模糊逼近模型；（2）针对具有不确定性的分布式驱动变形翼飞行器，运用代数图论、滑模控制、T-S模糊控制、迭代学习控制等理论，提出了一套具有鲁棒性的协同变形控制方法。具体地，提出了基于T-S模糊理论的分布式驱动变形翼的协同控制策略；设计了一种两层控制结构的分布式驱动变形翼协同变形控制方法，对系统的不确定性具有较强的鲁棒性；提出了一种基于一致性理论和迭代学习的分布式驱动变形翼协同控制方法，通过迭代学习提高变形翼各个单元达到一致性的速率。理论分析和仿真结果表明所提出的鲁棒形状控制方法能在存在不确定性的情况下，使得变形翼连续、平滑地变形，并最终达到期望形状；（3）探讨了变形翼飞行器变形与飞行协调控制设计的策略；用气动软件计算变形翼飞行器的气动参数与变形特征变量的函数关系，建立动力学模型与张量积模糊模型；以此为基础，引入变形特征变量为反馈，结合并行分布补偿方法和极点配置方法，设计了一种变形翼飞行器变形与飞行的协调控制律，验证了将变形翼结构应用于飞行器飞行控制的可行性；（4）研制了一套具有整体张拉结构的分布式驱动变形翼飞行器实验平台，开展了变形与飞行协调控制相关实验。本项目的研究成果为分布式驱动变形翼飞行器的协同形状控制以及变形与飞行协调控制，提供了新的解决思路和理论方法。