科技文献检索与写作结课论文
四旋翼飞行器飞行控制
钱航
（自动化114-22）
摘要：四旋翼飞行器是一种结构简单、飞行方式独特的垂直起降无人机。文主要讨论了关
于四旋翼飞行器的飞行控制方法，由于该飞行器的系统是属于MIMO系统和现代飞行控制技术的发展，人们对飞机性能的要求也越来越高，但是需要提出更好的控制器使其系统的稳定性、鲁棒性、自适应性等能提高。
关键词：四旋翼飞行器，飞行控制，MIMO，鲁棒性，稳定性，自适应性
Four rotary wing aircraft flight control
Qian hang
(robotization114-22)
Abstract: four-rotor aircraft is a unique sort of simple structure, flight of VTOL UAVs. Article mainly
discusses about four rotary wing aircraft flight control method, due to the aircraft's systems belong to MIMO system and the development of modern flight control technology, people's requirements have become more sophisticated in aircraft performance, but you need to come up with better control their adaptability, robustness, and stability of the system will improve.
Key words: four rotary-wing aircraft, flight control, MIMO, robustness, stability, adaptability
1引言
四旋翼无人机是具有4个输人力和6个自由度的欠驱动动力学旋翼式直升机。该系统是能够准静态飞行的自主飞行器，与传统的直升机相比，四旋翼直升机具有4个固定倾斜角的螺旋桨，从而使其结构和动力学特性得到了简化，通过改变4个推进器的转动速度，我们可以控制飞行器的垂直起降运动。近几十年来，随着飞机性能的不断提高，飞行控制技术发生了很大的变化，出现了主动控制技术、综合控制技术、自主飞行控制技术等先进的飞行控制技术，。现代高性能飞机对飞行控制系统提出了更高的要求，使用古典控制理论设计先进飞机的飞行控制系统已越来越困难。在国际上已经有很多学者研究了关于四旋翼飞行器的控制问题，而这些控制方法可以概括为三类（1）频域法，如线性二次型调节器/线性二次高斯函数/回路传递恢复方法（LQR/LQG/LTR）、定量反馈理论（QFT）方法、动态逆方法；（2）数值最优方法，如H∞方法、μ综合方法等；（3）时域法，如特征结构配置（EA）方法。但是这些方法对四旋翼飞行器的各种姿态控制、位置控制、速度控制定点悬停控制、协调转弯控制、自主飞行控制等控制方法设计，不能很好的提高飞行器的稳定性、自适应性和鲁棒特性等。所以在此基础上，对各种飞行控制方法进行研究并提出更好的控制方法。
2几种控制理论
2.1鲁棒控制
鲁棒控制(Robust Control，RC)作为解决系统不确定问题的重要手段，自20世纪80年代以来得到快速的发展,形成许多有效的分析和综合手段，如μ综合，Youla参数化，H∞控
科技文献检索与写作结课论文
制等。鲁棒控制在解决参数不确定、结构不确定等方面具有得天独厚的优势，但它的缺点在于没有学习能力，控制器实现时需要知道不确定的上界，往往造成设计上的过分保守。 2.2μ综合控制
μ综合理论则考虑到了结构化的不确定性问题，它不但能有效地、无保守性地判断“最坏情况”下摄动的影响，而且当存在不同表达形式的结构化不确定性情况下，能分析控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能问题，但是其生成的控制器并不总能满足系统全部指标要求,尤其对于系统高频特性的调整能力很差,甚至会产生不稳定控制器。μ理论的关键思想是：通过输入、输出、传递函数、参数变化、摄动等所有线性关联重构，以隔离所有摄动。 2.3自适应控制
自适应控制(Adaptive Control，AC) 方法是一种能修正自己的特性以适应对象、扰动或环境特性变化的控制器，与其他控制方法类似，它是基于数学模型的一种控制方法，所不同的是它所依据的关于模型和扰动的先验知识较少，需要在系统运行中不断提取关于模型的信息，使模型逐步完善，同时相应的控制律也能随之改善。自适应控制方法可以分为两类：直接自适应控制和间接自适应控制。间接自适应控制通过在线辨识系统的参数，然后设计合适的控制律。直接自适应控制则是直接对控制器的参数进行调整。自适应控制的很多结果都是基于Lyapunov稳定性设计的，目的是在对系统对变化实现自适应的同时，保持整个系统的稳定性。尽管自适应控制思想出现的很早，但是直到八十年代闭环系统的稳定性问题得到解决后，自适应控制才得到快速的发展目前，将神经网络鲁棒自适应控制与非线性控制方法结合成为控制领域中一个重要的研究方向，许多已有的控制方案也因此获得更好的控制性能：如滑模变结构,反馈线性化,Backstepping等。文献[18]虽然探讨了神经网络用于TLC控制器的可行性，但采用的是离线训练神经网络逼近系统方程的办法，所以具有很大的局限性。 2.4滑模变结构控制
滑模变结构控制的基本思想是首先将从任一点出发的状态轨线通过控制作用拉到某一指定的直线，然后沿着直线滑动到原点。滑动模变结构控制方法有如下特性：滑动模相轨迹在维数低于原系统的子空间内，描述其运动的微分方程阶数亦相应降低，这在解决复杂的高阶系统控制问题时，对离线分析和算法的在线实现都是非常有利的；滑动模的原点与控制量的大小无关，仅由对象特性及切换流形决定，这样可把系统设计问题精确地分解为两个互不相关且比较简单的低维问题；在一定条件下，滑动模对于干扰与参数的变化具有不变性。其缺点是控制律设计中需要已知系统不确定性的上界，它一般按系统运行中可能遇到的“最坏情况”选取，一旦上界确定后，其值就不再变化，所以保守性很大，容易引起控制量的饱和问题。
2.5主动控制
主动控制技术产生于20世纪60年代中叶之后，美国在发展主动控制技术方面一直处于领先地位，20世纪80年代后研制的军用飞机，几乎都实现了不同程度的主动控制功能。不仅如此，从1986年A320科技投入运营考试，民用科技也开始采用了电传控制系统和主动控制技术。主动控制技术的发展使得传统的飞机设计理念发生了根本改变，把飞机控制系统提高到与传统飞机设计方法总体设计三大要素：气动力、结构强度和发动机并驾齐驱的地位，使飞机总体设计发展为地洞里、结构强度、发动机、飞行控制系统四位一体的总体设计理念，解决了传统设计方法三大要素的“相互制约，顾此失彼”的问题。主动控制技术能够給飞机带来的益处为：
（1）减小飞机尺寸，减轻结构重量，降低巡航阻力，增大航程； （2）提高战斗机的机动性和完成作战任务的效率； （3）减少结构疲劳损坏，延长使用寿命，改善乘坐品质和着陆性能，减轻驾驶员工作负担； （4）降低制造成本和维护费用。
科技文献检索与写作结课论文
3总结
主动控制技术是当前航空领域在控制技术发展研究中最主要的研究课题，也是发展第三代和军用飞机及先进民航机的关键技术。随着计算机技术的发展以及新型材料的出现，主动控制技术的内容将得到不断的丰富和完善，主动控制技术的优越性能将更加凸现。 分析表明，现代控制方法技术复杂，在参数整定、品质分析等具体实现方面都比较困难。 现代控制理论在飞行控制设计上的问题是飞行品质要求（飞机的稳定性和操纵性）与性能质变的相互转化问题、、系统鲁棒性和性能鲁棒性的折衷问题及控制器阶数过高计算过于复杂的问题。这些问题都了这些控制方法在实际飞行控制系统中的应用。更重要的是研究对象为四旋翼飞行器，即为无人机，无人机飞行控制的风险性高，要求其控制系统必须具有较高的可靠性，不允许有丝毫的差错，所以在基本了解飞机性能和飞行品质后，可以做进一步的控制律研究与设计，采用现代控制方法，寻求更好的控制效果，以达到更好的飞行品质。目前，飞行控制的研究热点也集中在鲁棒、非线性、自适应和智能控制等方面，提高控制系统的鲁棒性和故障适应能力是研究的重点。
参考文献
[1]杨庆华，宋召青，时磊.四旋翼飞行器建模、控制与仿真[A]. 海军航空工程学院学报，2009:499-502.
[2]王伟,马小娟,李爱军,穆旭.一种改进的特征结构配置方法在飞行控制系统设计的应用.西北工业大学学报,2006,24(4):410-413 .
[3]陈健. 无人直升机飞行控制技术研究，[硕士学位论文].南京：南京航空航天大学，2008.
[4]姜长生，吴庆宪，陈文华等编著，现代鲁棒控制基础[M]，第1版，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.
[5]陈健. 无人直升机飞行控制技术研究，[硕士学位论文].南京：南京航空航天大学，2008. [6]王海涛，高金源，夏洁，综合容错飞行控制系统的设计与仿真，飞行力学，2007，25（3）：17～20.
[7]姜长生，吴庆宪，陈文华等编著，现代鲁棒控制基础[M]，第1版，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.
[8]章卫国，李爱军，刘慧英.主动控制技术在飞机侧向运动模态中的运用[J].西北工业大学学报，2004,22（3）
科技文献检索与写作结课论文
科技文献检索与写作
自动化114-22
钱航
