降维鲁棒变增益控制算法及其在飞行器控制中的应用

Developing advanced flight control systems is one of the most important technologies to achieve the national long-term plan in the area of aerospace engineering. To guarantee the flight safety and improve the flight quality, modern flight control systems must be designed in consideration of the issues including nonlinearity, time-variation, and uncertainties. The linear parameter-varying (LPV)-based robust gain-scheduling control method is an extension of H∞ control for linear time-invariant systems to nonlinear time-varying ones, and can take parametric uncertainties and unmodelled dynamics into account. Recently, this method has attracted extensive attention in the area of flight control. However, the order of the resulting controller is usually very high and thus significantly impedes the practical use of the LPV methodology. In order to bridge the gap between theory and practice, this proposal will develop a reduced-order LPV control algorithm and apply it to flight control. On the one hand, the proposed algorithm will theoretically guarantee the flight safety and quality of aircraft when either flying in large flight envelopes or encountering unexpected situations. On the other hand, the proposed algorithm will be numerically and experimentally demonstrated using both computer simulation and pilot-in-the-loop simulation platforms, which will be developed based on a large-capacity civil aircraft model but also be able to extended to other models. This research will provide not only experimental platforms to demonstrate the effectiveness of the LPV control methodology, but also theoretical and experimental supports for the practical application of this methodology to flight control.

先进飞行控制系统是实现国家航空工业中长期发展规划的重大工程技术之一。为保证飞行安全和提高飞行品质，现代飞行控制系统必需解决包括非线性、时变性及不确定性等问题。LPV控制方法是将H∞鲁棒控制在线性时不变系统的应用扩展到非线性时变系统，可处理参数及动力学模型的不确定性等问题。近年来该方法在飞行控制领域成为研究的热点，但控制器的高维数严重阻碍其实际应用。为缩小理论和应用之间的差距，本项目将研究降维LPV控制算法，并应用于飞行器控制。该算法将从理论上保证飞机在大包线内正常飞行时或遭遇突发状况时的安全性和飞行品质。另外，将设计和开发基于大型客机并可扩展于其他机型的开放式计算机仿真和人在回路仿真平台，实验验证降维LPV控制算法。研究成果不仅为进一步推动LPV控制方法的发展和应用提供实验验证的平台，也为最终将LPV控制方法实际应用到飞行控制系统提供理论基础和实验结果的支持。

先进飞行控制系统是实现国家航空工业中长期发展规划的重大工程技术之一。为保证飞行安全和提高飞行品质，现代飞行控制系统必需解决包括非线性、时变性及不确定性等问题。基于线性参数变化系统的鲁棒变增益控制（简称LPV控制）是将H∞鲁棒控制在线性时不变系统的应用扩展到非线性时变系统，可处理参数及动力学模型的不确定性等问题，近年来该方法在飞行控制领域成为研究的热点，但控制器多为动态输出反馈形式，结构复杂，阶次较高，严重阻碍其实际应用。另一方面，经典的变增益比例-积分-微分（PID）控制方法由于其控制器具有结构简单、易于实现的优点在航空工业得到了广泛应用，但在理论上，该方法缺乏严格的证明保证系统在飞行状态变化时的稳定性，而且也忽略考虑非线性、不确定性等情况。为缩小理论和应用间的差距，本项目将先进LPV控制理论与经典PID控制方法相结合，发展LPV-PID控制算法，即在LPV控制理论的框架下设计具有固定PID结构的控制器，并应用于飞行器控制。但是，这类LPV-PID控制综合问题涉及以双线性矩阵不等式表示的约束条件，属于非凸优化的问题，难以获取全局最优解。为此，本项目将LPV-PID控制转换为静态输出反馈控制问题，推导出以线性矩阵不等式表示的控制综合条件，保证闭环稳定性，并达到以H∞范数表示的系统性能最优化，实现LPV-PID控制器的全局优化设计。这一算法已用于设计飞机在大包线内飞行时的控制系统，并通过非线性仿真验证其有效性，后期将通过模拟器仿真和无人机试验对该算法进行全面测试。这一研究成果将先进LPV控制理论与经典PID控制结构相结合，面向实际工程应用，为最终将LPV控制方法实际应用到飞控系统的设计、提高现有基于PID控制的飞控系统的性能，提供了理论基础和实验验证。