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输出重定义方法设计垂直_短距起降飞机高度控制器

更新时间：2019-12-27 10:22:06 大小：2M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：飞机高度控制器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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.

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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  

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