倾转旋翼无人机多模型自适应有限频域控制研究

Tiltrotor control law design under cruise operation is usually faced with technical problems such as parameter change in sudden and whirl flutter, which requires investigating new approaches for improving the performance, stability, and maneuverability of the vehicle. This project aims to study a finite frequency approach to multi model adaptive control of tiltrotors with both of the precision and complexity of a mathematical model, and the interference suppression performance taken into account. For the flight dynamic modeling, we first implement a real-time approximate computing method to describe the behaviors of a tiltrotor aircraft system. The flight envelop is divided into several subregions, and model reduction based on singular perturbations and covering control techniques are used to obtain the optimal model distribution. Moreover, the online identification mechanism of weights is adopted to formulate a real-time model approximation based on a linear combination of local models. For the controller design, an adaptive finite-frequency robust control method is used to estimate the main vibration frequency of external disturbance based on the harmonic analysis, and then adjust controller parameters online to improve the disturbance attenuation capability of the closed-loop flight control system. This project combines the model parameter estimation and controller design into a unified framework, which is applicable to the situation where the control parameters need to be adjusted frequently. The obtained theoretical results are of significant importance to the development of modern flight control theory, and can provide the basis for handling the system uncertainty of a tiltrotor aircraft in the complex flight environment.

倾转旋翼无人机大包线控制面临参数激变和飞机颤振等技术难题，亟需探索新方法来提高飞机的稳定性、精准性和机动性。本项目旨在探索多模型自适应有限频域控制方法，在模型精度、模型复杂程度和干扰抑制性能方面进行综合设计。首先，针对倾转旋翼无人机，本项目研究基于多模型组合的在线参数估计方法，将参数域合理划分为若干子域，探索奇异摄动模型降阶方法和覆盖优化方法来获得最优局部模型分布。同时，尝试引入权重在线辨识机制，通过实时加权组合获得在线模型估计。在控制方面，研究自适应有限频域鲁棒控制方法，探索基于谐波分析的外部扰动主要振动频率计算方法和控制参数在线整定方法，提高系统干扰抑制能力。本项目将在线模型参数估计和自适应有限频域控制器设计综合在一个框架中，设计方法适用于控制参数需要频繁调整的应用场合，对丰富和完善现代飞行控制理论具有重要的理论意义，为处理复杂飞行环境下的倾转旋翼无人机系统不确定性提供依据。

倾转旋翼无人机大包线控制面临参数激变、风场扰动和飞机颤振等技术难题。多模型切换控制方法在分析具有参数/结构激变特性的飞行控制系统中发挥了重要作用。目前，基于时域方法的多模型切换控制日趋成熟，如何另辟蹊径地从频域角度进行分频优化设计是提高多模型切换控制器性能与品质的关键。..本项目从分析系多时间/频率尺度特性与倾转旋翼无人机系统稳定性和性能关系入手，探索了多模型自适应有限频域控制方法，形成了“有限频域建模-基于串级结构的模型简化-自选频控制器设计”的设计架构，并取得了一系列具有创新性的研究成果。..重要成果包括: (1) 建立了倾转旋翼无人机的多尺度建模与降阶方法，分别给出了固定翼/过渡/直升机模态所对应的奇异摄动模型，并研究了基于串级结构的模型简化方法，以最简结构刻画系统快慢动态之间的耦合关系；(2) 建立了自适应有限频域鲁棒控制策略，提出了基于谐波分析的外部扰动主要振动频率计算方法和控制参数在线整定方法，解决了参数不确定性、外部扰动降低系统飞行性能的问题；(3) 搭建了倾转旋翼无人机硬件在环仿真平台，设计了鲁棒巡航控制器、自适应轨迹跟踪控制器、基于结构参数优化的角度控制器，解决了倾转旋翼无人机多模式多任务飞行的问题。..本项目所取得研究成果已在国际重要学术期刊和会议上发表论文14篇，SCI收录10篇，其中，1篇发表在国际控制领域顶级期刊IEEE Trans. Automatic Control上，5篇信息科学与技术领域IEEE Trans系列论文，中国科学院分区1区论文6篇，JCR分区1区论文9篇。获得中国自动化学会自然科学二等奖，课题组成员李习康获得第十五届创新计算、信息和控制国际会议最佳论文展示奖。授权专利1件，申请1件软件著作权、专利1件。..本项目研究工作从本质上揭示了多时间尺度系统与多模型控制之间的关系，将基于动态库的模型集优化和自选频控制器设计综合在一个框架中，对丰富和完善现代飞行控制理论具有重要的理论意义，为处理复杂飞行环境下的倾转旋翼无人机系统不确定性提供依据。