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致动器阵列是智能变形体飞行器的一种重要控制方式。致动类微机电系统(MEMS)具有局部自主传感、控制和致动的能力,其主要部件微型致动器经常排成阵列来实现一些宏观的控制,最显著的特点就是“分布式”。“智能控制”、“多智能体系统(MAS)”、“分布式控制系统”等新的控制理念都很有潜力用于致动器阵列的控制中。“概率总体”(Probability Collectives)是一种适合解决分布式、非线性优化问题的方法。本文的目的是研究适合基于致动器阵列的飞行器分布式控制系统设计。
本文的工作主要有:
1.首先介绍了概率总体(PC)方法的基本理论,其核心思想:与传统优化方法中搜索变量数值来使函数最小化不同,PC方法是搜索变量在区间内的概率分布来最小化拉格朗日函数。随后阐述了如何实现PC方法,并通过多个算例进行了验证。算例表明,概率总体方法具备解决离散/连续、非线性、分布式复杂系统优化和控制的能力,非常适合用在基于分布式致动器阵列的飞行器控制系统设计中。
2.以飞翼式气动布局飞行器作为研究对象,首先建立了气动力计算实体模型;采用涡格法计算了模型的气动特性以及控制力矩;推导了动力学模型。
3.控制系统设计中先给出了一种状态反馈线性控制器的设计方案;然后以概率总体(PC)方法设计了致动器阵列无尾飞翼布局飞行器模型的分布式增稳飞行控制系统。
4.进行了开环系统仿真、独立回路仿真、闭环系统仿真和故障容忍仿真。仿真结果表明:概率总体方法设计的分布式控制系统能够很成功地对飞行器进行增稳控制;当致动器出现故障时,控制系统能够重新配置,维持飞行器的正常工作,验证了分布式控制系统较强的故障容忍能力。
本文主要创新点:
国内率先研究了基于致动器阵列分布式控制方法,采用概率总体(PC)理论设计了飞翼式飞行器控制系统。