特征結構配置法在無人機控制系統中的應用

盛啟輝，萬 茜，王小梅，劉 倩，李 宇

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

線性系統的時域性能指標要求可轉化為期望極點，再根據期望極點的位置，利用狀態反饋、輸出反饋對系統進行極點配置。但是，對于一個確定的狀態反饋極點配置問題，當采用不同的方法去求解時，可以得到不同的狀態增益，即其解不存在惟一性。特征結構配置不但配置閉環系統的極點，而且還配置它們的重數并同時配置閉環特征向量，因而可以更加準確地掌握系統的性能。特征結構配置的另一個優點在于，通過適當選取設計參數，可以實現期望性能的控制系統[1-2]。本文運用輸出反饋特征結構配置設計了無人機飛行控制系統的控制律，對極點和特征向量進行了期望的配置，實現了系統模態的解耦。

1 輸出反饋特征結構配置

1.1 特征結構配置分析

線性系統的狀態方程可表示為

其中A為系統的狀態陣，反映系統固有運動特性；B為控制陣，反映輸入量對系統運動狀態的影響；C為輸出陣，確定了系統的輸出狀態量。x為系統運動的狀態向量，u為系統的輸入向量，y為系統的輸出向量，x0為初始值，t0為初始時間。

則系統的解為x(t)=eAtx0。

若用A的特征向量和特征值表示，特征系統方程為

其中特征向量V與特征值λ分別為：

特征向量V是狀態空間的基本集，狀態空間的任一向量可表示為系統特征向量的線性組合，這些特征向量稱為系統的右特征向量。同樣，系統還存在左特征向量W，并滿足

式中，WT=[W1…W2…Wn] 。

系統時域響應方程為

系統自由響應的每個解與三個量有關：確定響應衰減速率或增長率的特征值、確定響應形狀的特征向量和確定加入自由響應的每個初始狀態；強迫響應與確定的外作用輸入有關。不同的特征值及相應的特征向量和外作用輸入直接影響系統的過渡過程，系統的時域響應反映了系統運動模態和外作用對輸出的影響。

時域響應中的自由響應部分可寫成

式(8)和式(9)表明系統的響應可由其特征值和特征向量進行描述，因此如能改變系統的特征結構，將能改善系統的時域響應。

1.2 輸出反饋特征結構配置

選取系統所期望的一組閉環特征值λ，進行輸出反饋極點配置的控制律形式為[3-4]

K為反饋增益矩陣。

則系統閉環方程

對于特征值λi和特征向量Vi，有

假設系統的期望特征值λ與狀態矩陣A的特征值不等，因此(λiI-A)的逆存在。

設向量 zi=KCVi，Ni=(λiI-A)-1B，

那么Vi=Nizi。

特征向量Vi必須位于Ni的列張成的子空間中，一旦期望的特征值已確定，Ni的分布空間便限定了閉環特征向量的選取。而期望的特征向量不屬于預先規定的子空間而不能到達，此時需用最可能到達的特征向量來代替理想特征向量該可達向量是在Ni的列張成的子空間上的投影，使所求的特征向量盡可能靠近期望的特征向量。

式中，Vij是指定元素，×是未指定元素即無約束元素。

定義重新排序算子{·}Ri

式中，li是由中指定元素組成的向量，di是由中未指定元素組成的向量。

將向量Ni中的諸行重新排列，并與中重排序的元素一一對應，Ni形式如下

因反饋增益陣滿足KCVa=Z，Va和Z的列數與輸出變量個數相同，求解式（16）可得反饋增益矩陣K。

2 無人機縱向運動控制律設計

無人機縱向運動方程：

無人機的縱向運動模態可分為兩個縱向短周期、一個縱向長周期，期望每個模態起主導作用的分別是攻角、俯仰角速率和俯仰角，期望特征向量為：

運用輸出反饋特征結構配置方法得到的無人機俯仰姿態保持系統的反饋增益矩陣：

無人機縱向運動的仿真模型如圖1所示。

俯仰角輸入指令為0.1754rad(10°)，無人機俯仰角響應曲線如圖2所示。系統能快速跟蹤俯仰角輸入指令信號，俯仰角響應無超調，穩態無誤差，系統上升時間不大于1.0s，調節時間不大于2.0s。

圖1 無人機縱向運動仿真模型

圖2 無人機俯仰角曲線

圖3是無人機俯仰角速率曲線，俯仰角速率在0.6s達到最大，約為 0.27rad/s，1.5s接近 0.0rad/s。

圖3 無人機俯仰角速率曲線

圖4和圖5分別是無人機攻角和升降舵偏轉角曲線，攻角1.0s內的增量約0.13rad/s，升降舵偏轉角的最大增量約0.44rad/s。

圖4 無人機攻角曲線

圖5 無人機升降舵偏轉角曲線

3 無人機橫側向運動控制律設計

無人機橫側向運動方程：個滾轉和一個螺旋，期望每個模態起主導作用的分別是側滑角、滾轉角速率、滾轉角、偏航角速率，期望特征向量為：

運用輸出反饋特征結構配置方法得到的無人機俯橫側向姿態運動系統的反饋增益矩陣：

無人機的橫側向運動模態可分為兩個荷蘭滾、一

無人機的橫側向進行協調轉彎運動的仿真模型如圖6所示。

圖6 無人機橫側向運動仿真模型

滾轉角輸入指令為0.52356rad(30°)，無人機滾轉角響應曲線如圖7所示。系統能快速跟蹤滾轉角輸入指令信號，滾轉角響應無超調，穩態無誤差，系統上升時間不大于1.5s，調節時間不大于2.0s。圖8是滾轉角速率曲線，滾轉角速率0.5s內的增量約0.51rad/s，5s后接近0.0rad/s。

圖7 無人機滾轉角曲線

圖9、圖10分別是無人機偏航角速率和偏航角曲線，無人機協調轉彎過程中，偏航角速率隨著滾轉角變化，跟蹤滾轉指令信號過程中，偏航角速率的增量達到0.06rad/s，滾轉角達到穩態，偏航角速率約為0.022rad/s，偏航角隨著無人機轉彎，10s內變化了0.25rad/s。

圖8 無人機滾轉角速率曲線

圖11是無人機側滑角曲線，滾轉角跟蹤指令信號過程中，側滑角變化0.0085rad，滾轉角達到穩態，側滑角約-0.003rad，協調轉彎過程中側滑角實現了零保持。

圖12、圖13分別是無人機副翼和方向舵偏轉角曲線。副翼偏轉角最大增量約0.16rad，穩態值約0.0025rad。方向舵偏轉角最大增量約0.11rad，穩態值約0.008rad。

圖9 無人機偏航角速率曲線

圖10 無人機偏航角曲線

圖11 無人機側滑角曲線

圖12 無人機副翼偏轉角曲線

圖13 無人機方向舵偏轉角曲線

4 結論

通過輸出反饋特征結構配置設計了無人機的控制律，實現系統內部的解耦，消除不同姿態參數之間耦合作用，實現了不同運動模態最重要狀態變量的主導作用。仿真結果表明，俯仰角能快速跟蹤指令信號，橫側向運動的協調轉彎控制實現了滾轉角快速跟蹤指令信號、無人機快速轉彎以及零側滑保持，具有較好的飛行動態性能。