介绍了设计和开发的一个固定的低阶,健壮<我>H<年代ub>2年代ub>微型飞行器的控制器(微型飞行器Sarika-2命名。控制器综合使用加强离散最优投影方程和频率相关性能指标实现健壮的性能和稳定性。一个固定增益低阶动态控制器提供了同步稳定,抗干扰性,和传感器噪声衰减在整个飞行速度范围16米/秒26米/秒。比较研究表明,低阶的<我>H<年代ub>2年代ub>控制器实现健壮的性能水平与全阶控制器。随后,在基于数字信号处理器的飞行控制器实现计算机和通过硬件在环实时仿真验证。获得的反应与硬件在回路仿真比较与获得的离线仿真。
1。介绍
一个低成本、遥控飞行器名叫Sarika-2 [<一个href="#B1">1一个>,2一个>)是设计和建造的印度理工学院科学,班加罗尔,印度为验证现代鲁棒最优控制算法。Sarika-2(如图<一个href="//www.newsama.com/journals/jcse/2011/594086/fig1/" target="_blank">1一个>)是一种轻量级(小于2公斤起飞)和低惯性车。无线电控制飞行的低惯性车通过joystick-driven手动命令是困难的,如果不是不可能,甚至温和的阵风的条件下。无线遥控飞行更容易控制机体的快速阻尼响应(<一个href="#B3">3一个>]。
虽然传统的飞行控制设计方法已在实践中很长一段时间,这种方法受到限制。他们是浪费时间。控制器优化的多输入多输出(MIMO)系统也不简单。传统的控制器的另一个严重的限制是其对模型不确定性的可怜的鲁棒性。追求强健控制器在过去三十年里导致控制器(<一个href="#B4">4一个>- - - - - -<一个href="#B7">7一个>]强劲稳定系统,留下的印象,这种方法过于倚靠性能的鲁棒性和牺牲一个适当的视图。的<年代vg height="14.2375" id="M3" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
性能水平的植物通常是一个更现实的指示其真实性能(<一个href="#B8">8一个>- - - - - -<一个href="#B10">10一个>相比更为保守<年代vg height="14.2375" id="M4" style="vertical-align:-3.13504pt;width:24.525px;" version="1.1" viewbox="0 0 24.525 14.2375" width="24.525" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
∞
规范(<一个href="#B4">4一个>- - - - - -<一个href="#B7">7一个>]。健壮的<年代vg height="14.2375" id="M5" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制器以及其他强大的控制器<我>μ(11一个>),
∞
(<一个href="#B4">4一个>- - - - - -<一个href="#B7">7一个>)提供系统获取程序控制器,满足性能目标和保证鲁棒性对模型不确定性和不可测量的干扰。在<我>μ合成,<年代vg height="14.2375" id="M7" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
和<年代vg height="14.2375" id="M8" style="vertical-align:-3.13504pt;width:24.525px;" version="1.1" viewbox="0 0 24.525 14.2375" width="24.525" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
∞
循环形成,设计师指定频率相关权重(<一个href="#B4">4一个>),以反映所需的性能和鲁棒性的目标。然而,这些技术给控制器,顺序通常高于给定的植物。因此,实时控制器实现很难(如果不是不可能的。大订单的执行控制器可能会产生不良的时间延迟。因此,一个健壮的顺序固定<年代vg height="14.2375" id="M9" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制是一个非常有吸引力的选择在几个健壮的多变量控制器设计方法,自<年代vg height="14.2375" id="M10" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
规范的更直观的测量性能(<一个href="#B8">8一个>,10一个>]。固定的低阶<年代vg height="14.2375" id="M11" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制器可以通过一步合成与其他多变量鲁棒控制器设计方法包括两步设计(<一个href="#B12">12一个>]。一个单步过程保证了稳定鲁棒性和最优性<一个href="#B13">13一个>]。
健壮的<年代vg height="14.2375" id="M12" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
最优控制器问题可以冒充<年代vg height="14.2375" id="M13" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
最优控制问题,在模型不确定性满足设计。因此LQG设计相比,在性能和闭环系统的鲁棒性估计后控制器的设计和性能和鲁棒性规范包含在<年代vg height="14.2375" id="M14" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制器在设计阶段。一个标准的健壮的<年代vg height="14.2375" id="M15" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
优化问题可以表示为如图<一个href="//www.newsama.com/journals/jcse/2011/594086/fig2/" target="_blank">2一个>(3一个>),衰减系统受到噪音和干扰。图中所示的配置<一个href="//www.newsama.com/journals/jcse/2011/594086/fig2/" target="_blank">2一个>包含一个广义植物用于鲁棒稳定性分析和控制器设计。
信号”<年代vg height="7.4499998" id="M17" style="vertical-align:-0.11285pt;width:12.2375px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.2375 7.4499998" width="12.2375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
”和“<年代vg height="7.375" id="M18" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
“是外生变量分别输入和性能。”<年代vg height="9.8625002" id="M19" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
“是被测变量,”<年代vg height="7.1624999" id="M20" style="vertical-align:-0.11285pt;width:7.5374999px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.5374999 7.1624999" width="7.5374999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
“是控制输入。<年代vg height="16.2875" id="M21" style="vertical-align:-4.77652pt;width:15.85px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.85 16.2875" width="15.85" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是表示实际的广义植物植物和所有加权函数。<年代vg height="14.2375" id="M22" style="vertical-align:-3.13504pt;width:18.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 18.125 14.2375" width="18.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
代表了传感器动态,包括前置放大器增益和<年代vg height="10.325" id="M23" style="vertical-align:-0.0pt;width:13.2875px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.2875 10.325" width="13.2875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是控制器设计。<年代vg height="10.6625" id="M24" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.4125px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.4125 10.6625" width="11.4125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
所有可能的集合的不确定性,分组到单个block-diagonal有限维线性时不变系统。图<一个href="//www.newsama.com/journals/jcse/2011/594086/fig2/" target="_blank">2一个>也被称为一个标准的线性分式变换(LLFT)较低的融通的配方吗<年代vg height="10.325" id="M25" style="vertical-align:-0.0pt;width:13.2875px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.2875 10.325" width="13.2875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,在那里<年代vg height="16.2875" id="M26" style="vertical-align:-4.77652pt;width:33.849998px;" version="1.1" viewbox="0 0 33.849998 16.2875" width="33.849998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
的系数矩阵是LLFT和上线性分式变换(ULFT)<年代vg height="10.6625" id="M27" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.4125px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.4125 10.6625" width="11.4125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
,在那里<年代vg height="16.2875" id="M28" style="vertical-align:-4.77652pt;width:15.85px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.85 16.2875" width="15.85" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
ULFT的系数矩阵。LLFT用于控制器设计阶段,ULFT鲁棒性能分析阶段使用。
广义的植物,图<一个href="//www.newsama.com/journals/jcse/2011/594086/fig2/" target="_blank">2一个>可以用频域表示如下:<年代pan class="equation" id="EEq1a">
的闭环传递矩阵在哪里<年代vg height="7.4499998" id="M30" style="vertical-align:-0.11285pt;width:12.2375px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.2375 7.4499998" width="12.2375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
来<年代vg height="7.375" id="M31" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
可以由<年代pan class="equation" id="EEq1b">
的最小化<年代vg height="14.2375" id="M34" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
规范的传递函数<年代vg height="7.4499998" id="M35" style="vertical-align:-0.11285pt;width:12.2375px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.2375 7.4499998" width="12.2375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
来<年代vg height="7.375" id="M36" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,也就是说,<年代vg height="14.3875" id="M37" style="vertical-align:-3.25793pt;width:23.275px;" version="1.1" viewbox="0 0 23.275 14.3875" width="23.275" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
在所有可实现的控制器<年代vg height="13.45" id="M38" style="vertical-align:-2.21957pt;width:30.237499px;" version="1.1" viewbox="0 0 30.237499 13.45" width="30.237499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
,构成了<年代vg height="14.2375" id="M39" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制问题。广义的元素<年代vg height="16.2875" id="M40" style="vertical-align:-4.77652pt;width:15.85px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.85 16.2875" width="15.85" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是通过增加频率相关加权函数和相应的输出向量<年代vg height="7.375" id="M41" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
为降低融通的形式。
本文只关注设计、分析和验证的顺序固定<年代vg height="14.2375" id="M42" style="vertical-align:-3.13504pt;width:19.862499px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.862499 14.2375" width="19.862499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2
控制器通过实时硬件在回路仿真Sarika-2的横向动力学。控制器的设计是基于加强离散的组合最优投影方程(SDOPEs) [<一个href="#B14">14一个>),这是修改后的版本的伯恩斯坦等的开创性工作。<一个href="#B15">15一个>)顺序固定的控制器和frequency-shaped设计技术。在这篇文章中,状态和控制变量的时域加权矩阵<一个href="#B14">14一个>)改变频率相关权重矩阵。这使得设计者可以指定形状的反应更严格的频率范围,向他们提供更大的权重,明确以牺牲更大的错误在其他频率范围的重要性。一个好的控制器系统的输出灵敏度之间权衡的结果<年代vg height="14.5875" id="M43" style="vertical-align:-3.2316pt;width:15.9125px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.9125 14.5875" width="15.9125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
、互补的灵敏度函数<年代vg height="10.325" id="M44" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.225px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.225 10.325" width="11.225" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和控制灵敏度<年代vg height="14.5875" id="M45" style="vertical-align:-3.2316pt;width:27.4625px;" version="1.1" viewbox="0 0 27.4625 14.5875" width="27.4625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(<年代vg height="14.5875" id="M46" style="vertical-align:-3.2316pt;width:14.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.3125 14.5875" width="14.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
:闭环系统的输入灵敏度函数)。自Sarika-2非常小,机翼,皮托管测量静态探测安装速度,成为在低雷诺数湍流流动机制。另外,重量轻压力传感器在测量灵敏度和稳定性差。进一步的空气速度之间的非线性关系和动态压力(总pressure-static压力)使这种装置不优先考虑,因为船上修正所有上述黑话不是可行的车辆在家门口2类。因此,家门口2没有传感器测量真或表示空气速度,因此,获得/控制器调度对其飞行速度范围的第16 - 26页m /秒不可行。因此,设计一个离散动态控制器在中央操作点(20米/秒的飞行速度)的车辆达到同步稳定,抗干扰性,和传感器噪声衰减在整个飞行包线16米/ sec-26米/秒。
2。横向动力学Sarika-2
Sarika-2是一个远程控制的小型飞行车0.6米跨度的向后倾斜的三角翼和翼面积0.195<年代up>2年代up>。它有一个平方机身的宽度0.06米和0.8米的长度。它在起飞重量约1.75公斤。控制是通过独立的外置驱动电梯,内侧副翼和方向舵。Sarika-2没有水平的尾巴。电厂是一个4 cc螺旋桨发动机(OSMAX-LA 25),它使用甲醇+蓖麻油作为燃料,与硝基甲烷10 - 15%提高发动机功率。
线性化状态空间模型的横向动力学开发稳定轴(<一个href="#B16">16一个>),通过假设水平飞行的固定的高度高出海平面1000米(即。,100 m above the ground level at Bangalore) and trimming at six different operating speeds (i.e., at 16, 18, 20, 22, 24, and 26 m/sec). The state variables,<年代vg height="14.1875" id="M47" style="vertical-align:-0.33858pt;width:45.762501px;" version="1.1" viewbox="0 0 45.762501 14.1875" width="45.762501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
∈
4
描述横向动力学是侧滑角<年代vg height="13.425" id="M48" style="vertical-align:-2.29482pt;width:8.8500004px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.8500004 13.425" width="8.8500004" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,滚转率<年代vg height="9.875" id="M49" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.7624998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.7624998 9.875" width="7.7624998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,偏航率<年代vg height="7.0124998" id="M50" style="vertical-align:-0.0pt;width:6.5px;" version="1.1" viewbox="0 0 6.5 7.0124998" width="6.5" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和银行的角度<年代vg height="13.425" id="M51" style="vertical-align:-2.29482pt;width:10.2px;" version="1.1" viewbox="0 0 10.2 13.425" width="10.2" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。从风洞试验(静态衍生品<一个href="#B1">1一个>)从理论计算结合动态衍生品<一个href="#B17">17一个>,18一个>)提供完整的一套稳定衍生品(<一个href="#B3">3一个>Sarika-2横向动力学的。控制面是由微型机电伺服系统驱动的。实验测量的动态伺服驱动器(叶S3101微伺服)是由<年代pan class="equation" id="EEq2">
在那里,<年代vg height="9.9250002" id="M53" style="vertical-align:-0.13794pt;width:32.224998px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.224998 9.9250002" width="32.224998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
和<年代vg height="7.0124998" id="M54" style="vertical-align:-0.0pt;width:6.5px;" version="1.1" viewbox="0 0 6.5 7.0124998" width="6.5" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
分别对副翼和方向舵。<年代vg height="14.5875" id="M55" style="vertical-align:-3.2316pt;width:12.0125px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.0125 14.5875" width="12.0125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
副翼和方向舵的弧度,<年代vg height="11.05" id="M56" style="vertical-align:-3.2316pt;width:11.5625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.5625 11.05" width="11.5625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
宽度的脉冲宽度调制(PWM)命令输入,以毫秒为单位。连续离散状态空间模型在50 Hz(同步命令PWM输入收到的车辆从地面站无线电/飞行员命令)。最后合成线性化模型用于控制器包括两个采样周期延迟状态占计算时间需求。因此,工厂的最终模型包括八个州(飞行器机身四个,两个致动器和两个计算延迟),两个控制输入,风扰动输入,和三个加速度计和速率陀螺传感器输出。离散状态空间模型的横向动力学Sarika-2,在中央操作条件的20米/秒(<一个href="#B3">3一个>]
在哪里<年代vg height="13.2375" id="M59" style="vertical-align:-4.77652pt;width:14.475px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.475 13.2375" width="14.475" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是风组件在横向方向上,<年代vg height="19.424999" id="M60" style="vertical-align:-4.74141pt;width:122.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 122.125 19.424999" width="122.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
(
]
,<年代vg height="16.2875" id="M61" style="vertical-align:-2.21957pt;width:100.775px;" version="1.1" viewbox="0 0 100.775 16.2875" width="100.775" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
(
)
=
]
,<年代vg height="16.375" id="M62" style="vertical-align:-2.29482pt;width:79.762497px;" version="1.1" viewbox="0 0 79.762497 16.375" width="79.762497" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
=
]
测量对飞机身体轴(<年代vg height="12.925" id="M63" style="vertical-align:-4.74141pt;width:14.025px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.025 12.925" width="14.025" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
横向加速度),<年代pan class="equation" id="EEq3c">