自主式飞行控制关键技术研究

论文摘要

本文主要研究了自主式飞行控制系统设计中飞行器的自动控制和飞行器的路径规划问题。针对现代飞机的静不稳特性，首先基于国军标的要求运用线性控制理论和智能控制理论的方法设计了增稳控制系统作为飞行器控制的内回路，然后运用智能控制理论对跟踪回路进行了鲁棒控制器设计。同时为了实现初级的自主控制，考虑到飞行器的特点，设计了路径规划控制系统，使系统具有一定的程度的自主能力。综合智能控制、鲁棒控制和优化理论及自主控制的要求，对飞行器自主控制进行了深入的研究。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1．研究了自主控制的发展、背景和系统结构，分析、比较了国内外几种常用的自主控制结构，并归纳了各自的特点。随着现代控制理论的发展，飞机设计人员可以设计增稳回路来改变飞行器的自然特性。针对现代飞行器静不稳定性的特点，提出适合于研究目标的自主控制系统结构，包括增稳控制系统、跟踪控制系统、路径规划系统等。并研究了飞行器六自由度非线性模型的建模问题。 2．在多变量控制系统理论中，特征结构配置理论是近年来的研究热点，但是其对参数变化鲁棒性差。把特征结构配置理论和多目标优化理论结合起来，进而引入线性矩阵不等式理论，结合起来研究了基于LMI的多目标特征结构配置理论。并将之用于飞机增稳控制系统的设计中，使飞机自然特性满足国军标要求的动态性能和稳定性要求的同时，又能使某些模态之间解耦并满足系统参数变化鲁棒性的要求。利用特征结构配置中的自由度设计来满足系统抗参数扰动等性能，研究发现问题的求解可归结为LMI问题用内点法来求解，避免了求解Sylvester方程。 3．研究设计了基于神经网络控制的飞机智能飞行控制系统，包括增稳回路的设计和跟踪回路的设计。增稳回路的设计把多目标特征结构配置理论和神经网络理论棚结合，设计了智能、鲁棒的跟踪回路；跟踪回路的设计研究了动态逆控制和神经网络控制，这里用神经网络来近似系统线性模型的雅克比矩阵，进而用逆控制器来设计跟踪回路。由于神经网络提供的是一个参数连续更新的系统模型，避免了逆误差的存在，同时三层BP神经网络控制器以其对连续非线性函数的任意逼近性，避免了传统增益调参理论控制器参数切换带来的系统不稳定性。 4．把B-样条理论和进化算法结合起来，用进化算法直接优化样条函数的控制点，进而形成B-样条飞行路径，既保证了路径的可飞性，又保证了规划过程

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 线性控制
• 1.2.2 非线性控制
• 1.2.3 智能控制
• 1.2.4 路径规划
• 1.3 自主控制策略研究
• 1.4 论文的主要工作和内容安排
• 1.5 本文的成果
• 第2章 控制系统结构设计及对象模型
• 2.1 自主控制系统结构
• 2.1.1 层阶分解的系统结构
• 2.1.2 并行系统结构
• 2.1.3 混合型系统结构
• 2.2 分级智能控制
• 2.3 基于分级智能控制的层解分解控制系统
• 2.3.1 系统结构
• 2.3.2 系统特点
• 2.4 飞机数学模型
• 2.4.1 坐标轴系及运动参数
• 2.4.2 建立飞机运动方程
• 2.4.3 六自由度运动方程
• 2.4.4 系统线性化
• 2.5 本章小结
• 第3章 背景知识和理论
• 3.1 特征结构配置
• 3.1.1 典型特征结构配置理论
• 3.1.2 基于LMI的特征结构配置
• 3.1.3 基于LMI的多目标特征结构配置
• 3.2 神经网络控制器设计
• 3.2.1 神经网络背景
• 3.2.2 BP神经网络
• 3.2.3 BP神经网络的改进
• 3.2.4 神经网络的应用
• 3.3 非线性系统神经网络控制器设计
• 3.3.1 神经网络控制器
• 3.3.2 控制器设计步骤
• 3.4 动态逆控制理论
• 3.4.1 线性系统动态逆控制
• 3.4.2 线性动态逆解耦条件分析
• 3.4.3 非线性系统动态逆
• 3.4.4 动态逆控制应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 增稳控制系统设计
• 4.1 零级智能控制
• 4.1.1 零级智能控制器结构
• 4.1.2 飞机飞行包线
• 4.1.3 定义平衡点
• 4.1.4 平衡点的配平及飞机方程线性化
• 4.1.5 自然飞机性能分析
• 4.2 控制器设计
• 4.2.1 选择期望特征值
• 4.2.2 特征结构配置设计
• 4.3 神经网络近似器设计
• 4.4 系统验证和稳定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 一级智能控制系统
• 5.1 一级控制器结构设计
• 5.2 平衡点选取及线性化
• 5.2.1 不确定性包线
• 5.2.2 平衡点选取
• 5.2.3 系统线性化
• 5.3 神经网络近似器设计
• 5.4 逆控制算法
• 5.4.1 逆控制器设计
• 5.4.2 稳定性分析
• 5.5 仿真验证
• 5.6 本章小结
• 第6章 二级智能飞行控制系统
• 6.1 二级智能控制系统结构
• 6.2 路径规划研究
• 6.2.1 进化算法的应用背景
• 6.2.2 进化算法的算子研究
• 6.2.3 进化算法的改进
• 6.2.4 进化算法用于二级智能控制器
• 6.3 样条函数理论
• 6.3.1 样条函数定义
• 6.3.2 截幂函数
• 6.3.3 B样条函数
• 6.4 路径发生器设计及规划机理
• 6.4.1 路径发生器设计
• 6.4.2 离线规划过程
• 6.4.3 三维数字地形
• 6.5 仿真验证
• 6.6 系统综合仿真
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间参与的项目