飞机纵向运动控制器设计

飞机纵向运动控制器设计

摘要

阐述了线性二次调节器（LQR）的基本原理和设计方法，以一类通用飞机的非线性纵向模型为研究对象，对其线性化后，应用LQR理论设计了飞机的纵向运动控制器以改善系统的性能。通过分析所设计的控制器的调节性能和抗干扰性能，并进行评估。仿真结果表明，尽管存在参数不确定性，所设计控制器能够满足飞机在复杂飞行条件下的控制要求，具有较强的鲁棒性。

关键字：纵向飞行控制；LQR控制；鲁棒性

CONTROLLER DESIGN FOR AIRCRAFT

LONGITUDINAL MOTION

ABSTRACT

The thesis describes the basic principles and design methods of Linear quadratic regulator(LQR). By taking a nonlinear longitudinal model of a generic aircraft as an example, the thesis performs a linearization for the model, and then the LQR theory is used to design aircraft longitudinal motion controller in order to improve the performance of the system. By analyzing the regulation performance and anti-jamming performance of the feedback system designed, an evaluation is carries out. The simulation results show that in despite of the uncertainty of parameter exists, the designed controller can satisfy the control requirements of aircraft under complex conditions, and it has a good robustness.

KEYWORDS: Longitudinal control，LQR control，Robustness

目录

摘要............................................................................................................................................... I ABSTRACT............................................................................................................................................. II 1 绪论. (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 国内外研究现状及研究成果 (1)

1.3 研究设想及研究方法 (2)

2 飞机纵向运动建模及模型分析 (3)

2.1 被控对象简介 (3)

2.2 控制目标 (3)

2.3 被控对象运动分析 (3)

2.4 纵向运动的介绍及其受力分析 (3)

2.5 系统建模 (4)

2.6 系统模型分析 (8)

3 基于LQR控制理论设计控制器 (8)

3.1 有关的LQR控制理论 (9)

3.2 基于LQR的控制器设计 (10)

4 设计的控制器仿真及其结果分析 (11)

4.1 基于LQR设计的控制器仿真 (11)

4.2 调节性能 (17)

5 结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着航天技术的发展，对飞机纵向运动姿态和速度性以及稳态精度的要求越来越高。针对该领域中被控对象结构复杂、耦合严重等特点，提出了模型跟踪最优二次型（LQR）方法设计控制器，并通过仿真，分析反馈系统之间的调节性能和抗干扰性能，对飞机纵向运动进行控制。

计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，随着计算机应有的日益普及，计算机在控制工程领域也发挥着越来越重要的作用。它在控制系统中的应用主要可分为以下两个方面：

(1) 利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模等工作，从而大大减轻了设计人员的繁杂劳动，缩短了设计周期，提高了设计质量。

(2)利用计算机代替常规的模拟控制器，而使它成为控制系统的一个组成部分。对于这种有计算机参加控制的系统，简称为计算机控制系统，它有时也成为数字控制系统。

计算机控制系统与常规的模拟控制系统的差别是对信号处理方式不一样，计算机控制采用数字代码方式，即输入输出变量皆为数字信号，计算机控制系统的理论基础是离散系统控制理论。计算机通过软件编程来实现系统的控制规律，利用分时功能完成对多变量或多回路的控制，并且容易实现控制和管理相结合，提高自动化。由于计算机具有很强的计算、比较及存储信息的能力，因此它可实现过去的连续控制难以实现的更为复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应和自学习控制等。1.2 国内外研究现状及研究成果

飞行控制系统虽然已经历了从自动驾驶仪、阻尼器/增稳、控制增稳到电传飞控系统的巨大变化和发展，但经典控制设计技术却一直能够在工程应用中适应这种变化和发展的需要，即使在某些不完全适用的设计中，工程师们总是设法使其能够使用，而且经典控制设计技术页的却不仅主导了过去的飞控系统的设计，并在现代的飞控系统设计中继续发挥着作用。

然而随着设计回路的增加，采用经典控制使设计过程变得越来越复杂、越来越困难，而且当动态系统为多变量系统时，采用经典设计并不能确保设计的成功。

现代控制系统设计的中心是两个概念。一个中心概念是：设计直接基于状态变量