推荐星级：
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
输出重定义方法设计垂直_短距起降飞机高度控制器
资料介绍
垂直/短距起降飞机是一类典型的非最小相位系统.系统的负调特性使得飞机高度响应比较缓慢,并且会在初始阶段响应为负,从而出现不期望的掉高现象.针对该问题,本文设计了新的最小相位输出预估控制器,通过调节近似输出零点的方法提高系统的动态响应;对于负调部分,采用两步参数整定的方法设计PID控制器,达到抑制负调的作用.最后,对飞机的高度俯仰控制进行了仿真验证,结果表明设计的控制器对飞机高度初始负调具有明显的抑制作用,并且缩短了回复上升所需的时间.
部分文件列表
| 文件名 | 大小 |
| 输出重定义方法设计垂直_短距起降飞机高度控制器.pdf | 2M |
部分页面预览
（完整内容请下载后查看）控 制 理 论 与 应 用
Control Theory & Applications
第 36 卷第 6 期
2019 年 6 月
Vol. 36 No. 6
Jun. 2019
输出重定义方法设计垂直/短距起降飞机高度控制器
朱 斌†, 陈庆伟
(南京理工大学 自动化学院, 江苏 南京 210094)
摘要: 垂直/短距起降飞机是一类典型的非最小相位系统. 系统的负调特性使得飞机高度响应比较缓慢, 并且会在
初始阶段响应为负, 从而出现不期望的掉高现象. 针对该问题, 本文设计了新的最小相位输出预估控制器, 通过调节
近似输出零点的方法提高系统的动态响应; 对于负调部分, 采用两步参数整定的方法设计PID控制器, 达到抑制负
调的作用. 最后, 对飞机的高度俯仰控制进行了仿真验证, 结果表明设计的控制器对飞机高度初始负调具有明显的
抑制作用, 并且缩短了回复上升所需的时间.
关键词: 非最小相位系统; 输出重定义; Smith预估控制器; 两步参数整定
引用格式: 朱斌, 陈庆伟. 输出重定义方法设计垂直/短距起降飞机高度控制器. 控制理论与应用, 2019, 36(6):
1009 – 1016
DOI: 10.7641/CTA.2019.80141
Altitude controller design for vertical or short takeoff and landing
aircraft with output redefinition method
ZHU Bin†, CHEN Qing-wei
(Institute of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210094, China)
Abstract: Vertical or short takeoff and landing (V/STOL) aircraft is a typical non-minimum phase system. The under-
shoot of the system slows down the height response of the aircraft, and the negative initial stage of the response may also
result in undesired fall-out. To solve these problems, a new minimum phase output estimation controller is designed in this
paper to improve the dynamic response by adjusting the approximate output zeros, and a PID controller using the two-step
parameter tuning method is designed to suppressing the negative regulation. The results of altitude pitch control simulation
show that the controller designed here has a significant inhibitory effect on the initial negative adjustment of the aircraft
altitude, and the rise time of the height recovery is shorter.
Key words: non-minimum phase system; output redefinition; Smith predictive controller; two-step tuning method
Citation: ZHU Bin, CHEN Qingwei. Altitude controller design for vertical or short takeoff and landing aircraft with
output redefinition method. Control Theory & Applications, 2019, 36(6): 1009 – 1016
1 引言
目前, 大多数非最小相位的控制思路可以分为两
大类: 1) 转化为镇定问题; 2) 转化为最小相位系统跟
踪问题[1]. 前者一般采用反馈或者前馈加反馈的设计
方法实现跟踪控制[2–5]. 后者则通过改变输出来改变
相应的零动态, 因为输出决定外部动态, 从而内部状
态和零动态也相应确定, 所以输出与零动态具有一一
对应的关系. 在此基础上, 通过输出重定义的方法可
以将非最小相位系统转化为最小相位系统, 从而设计
跟踪控制器. 针对系统具有不稳定零点的非最小相位
系统, 文献[6–7]提出了扩展Smith预估器(generalized
Smith predictor)控制方法, 借鉴了Smith预估器处理滞
后环节的思想将其应用到非最小相位系统中. 该方法
线性非最小相位系统是指传递函数至少有一个极
点或零点在右半平面, 或者包含延时环节的系统. 垂
直/短距起降飞机是一种典型的非最小相位系统. 体现
在飞机纵向运动的高度控制上主要有两种情况: 第一
是在飞行模态转换的初始阶段, 推力转向造成纵向合
力在气动力建立起之前不足以抵消重力, 飞机出现掉
高; 第二是在水平飞行阶段, 执行机构产生的俯仰力
矩与气动力存在耦合, 也会使得飞机在开始爬升之前
掉高. 飞机的这种掉高现象反映了非最小相位的初始
负调特性, 因此研究如何抑制或者消除负调并且满足
系统动态响应要求是设计非最小相位控制器的关键.
收稿日期: 2018−03−05; 录用日期: 2019−03−21.
†通信作者. E-mail: ; Tel.: +86 18651985876.
本文责任编委: 高会军.
.
万方数据
1010
控 制 理 论 与 应 用
第 36 卷
的特点是将非最小相位部分移到闭环之外, 以最小相
位部分作为新的输出设计反馈控制器. 文献[8–9]提
出了零相位误差跟踪控制和零幅值误差跟踪控制. 利
用重新定义输出的方法实现了系统的近似跟踪, 并且
保证了系统内部动态的稳定性.
根据式(1)可以得到完全等效的传递函数结构, 如图
1(b)所示. 图中的闭环回路以及反馈信号y∗ 表明, 通
过准确的预估模型, 原系统等效成对最小相位系统
G−p (s)的控制器Gc(s)的设计, 而具有右半平面零点
的非最小相位部分Gp+(s)被移到了闭环之外. 因此,
对于线性非最小相位系统的负调抑制问题, 一般
是将非最小相位系统近似拟合成一个稳定的大滞后
系统来考虑. 文献[10]通过两步PID参数整定的方法,
设计PID参数达到对时滞和负调的抑制. 文献[11]提
出一种二自由度控制方法, 结合Smith预估器和内模
控制器, 实现对设定值的跟随和对干扰的抑制. 文献
[12]针对具有积分和时滞特性的过程对象, 设计一种
内模PID鲁棒控制器, 可以克服PID参数整定的盲目
性, 实现系统良好的动态响应和鲁棒性. 文献[13]对
于一阶和二阶延时系统, 使用主极点分配的方法保证
系统的增益裕度和相位裕度, 获得了对于PI/PID控制
器参数的整定方法. 综上所述, 对于具有负调和时滞
的系统, PID控制器通过一定的方法进行参数整定是
可以实现对负调的抑制, 但是并不能提高系统的动态
响应.
通过上述扩展Smith预估器应用到非最小相位系统中,
可以将非最小相位系统的输出跟踪控制转换为最小
相位的跟踪控制.
图 1(a) 扩展Smith预估器结构图
Fig. 1(a) Generalized Smith predictor structure
本文利用输出重定义的方法设计了新的带有负调
抑制的最小相位预估控制器. 通过进一步研究不同近
似输出零点对于系统响应的影响, 发现当选取的近似
零点离原点相对较远时, 系统可以获得较快的动态响
应, 但是会使得系统负调变大. 为了抑制系统负调并
且提高系统的动态响应, 本文在最小相位预估控制器
的结构上结合了两步参数整定的PID控制器, 实现了
对负调的有效抑制并且兼顾了系统的动态响应速度.
图 1(b) 等效扩展Smith预估器结构图
Fig. 1(b) Equivalent structure for the generalized Smith
predictor
2.2 最小相位输出预估控制器设计
考虑一个线性系统, 具有相对阶r(极点数n和零点
数m的差, 即r = n − m):
{
2 输出重定义
2.1 非最小相位系统的扩展Smith预估器
x● = Ax + Bu,
(2)
y = Cx,
Smith预估控制是一种广泛的对纯滞后对象进行
补偿的控制方法. 在系统的反馈回路中引入补偿装置,
将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分
离. 如果预估模型准确, 该方法能够获得较好的控制
效果, 从而消除纯滞后对系统的不利影响, 使系统品
质与无纯滞后时相同. 扩展Smith预估器则将上述方
法应用到具有非最小相位特性的系统中. 考虑一个单
输入单输出的开环稳定线性系统, 传递函数为Gp(s),
将 传 递 函 数 写 成 Gp(s) = G+p (s) · Gp−(s), 其 中:
其传递函数可以写成
Y (s)
U(s)
CAdj(sI − A)B
det(sI − A)
=
,
(3)
其中A是Hurwitz矩阵, 且CAdj(sI−A)B至少有一个
右半平面的零点. 定义系统(2)的近似输出y∗ = C∗x,
可以写出近似输出的传递函数
Y ∗(s)
C∗Adj(sI − A)B
=
,
(4)
U(s)
det(sI − A)
并且传递函数(4)所有的零点都在左半平面, 那么可以
定义
G−p (s)表示稳定的最小相位部分, Gp+(s)表示零点在S
平面右半部分的非最小相位部分, 且Gp+(0) =1. 系统
反馈回路的补偿器设为δy, y∗为近似最小相位系统输
出, 作为Gc(s)的反馈量. 总体的设计结构如图1(a)所
示.
CAdj(sI − A)B
Gp(s) =
G−p (s) =
,
(5)
(6)
det(sI − A)
C∗Adj(sI − A)B
det(sI − A)
.
根据Gp(s)= Gp+(s) · Gp−(s), 可以得到非最小相位部
由图1(a)的传递函数结构图可以写出系统的闭环
传递函数
分传递函数
Gc(s)Gp−(s)
1 + Gc(s)Gp−(s)
y(s)
CAdj(sI − A)B
G+p (s).
(1)
G+p (s) =
,
(7)
=
C∗Adj(sI − A)B
yd(s)
万方数据
相关下载
- 华为模块电源管理设计指导-(V100R001_02 Chi...
- 华为LGA模块PCB设计指导_V2.0_20150126.pdf
- HUAWEI Module USB Interface Descriptor Gui...
- HUAWEI ME909s-821 LTE LGA模块硬件指南V100R...
- HUAWEI ME909s-821 LTE LGA Module Acceptanc...
- HUAWEI 30 mm x 30 mm LGA Module Hardware M...
- HUAWEI 30 mm x 30 mm LGA Module Developmen...
- Altium_Designer_规则设置三例.pdf
- STM32F407产品技术培训-DSP库及其例程
- STM32F407产品技术培训-2.浮点单元.pdf
全部评论(0)