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    1.3  奇异摄动系统的研究与发展[2]
    四旋翼飞行器的快慢特性,使得控制器的设计很难在兼顾两个量级的极点的同时保证控制精度。为了提高精度,我们引入一种处理此类特性系统的理论—奇异摄动理论。
    实际的系统在建模过程中,总是会因为存在一些小的惯量或者时间参数,使得其数学模型有非常高的阶数和病态的特征。以往我们处理此类系统的方式是:通过忽略小的时间参数来对系统进行降阶近似。但对于一些对精度要求高的系统而已,这样的方法就不适用了,其控制效果也常常不尽人意。而奇异摄动法,即是提高此类特征系统控制精度的研究方法。
    摄动问题最早可以追溯到19世纪天文学的研究。而实际应用与控制系统则是起于上世纪的60年代。其基本的思想是先忽略快变量来近似系统,然后加入边界层来提高近似程度,即用两个子系统来表现原系统的性质。从时标上而言,即是通过2个时间尺度来描述系统。其快慢子系统思想与时标的变化,拉近了系统的不同量级的极点,同量级的极点给我们设计控制器带来了方便。

    1.4  奇异摄动系统的LQR与H∞控制
    (1)LQR控制
    上世纪70年代就有关于奇异摄动系统的二次型最优控制的理论研究了。奇异摄动系统的小参数,对于一般Riccati方程求解有不利的影响,我们将其分解成快慢子系统后,分别设计LQR控制器。最终应用到原系统的LQR,从本质上而言是一种次优控制。
    Kokotovic等人给出了不受摄动参数影响的控制器设计方式,但其系统没有严格分解,且慢子系统在设计控制器要受快子系统的影响[4]。DERBELN在Kokotovic的基础上给出了修正算法,提出了快动力学的降阶控制思想以及最优控制的低阶近似的思路[5]。
    (2)H∞控制
    上世纪有S M Shahru研究此种问题,他提出可以通过两个降级子系统的H∞控制问题来实现原奇异摄动系统的H∞控制[6]。N Rridmane则使用了更加严格的分解设计出性能更好的控制器,并实现次优H∞控制[7]。Mukaidani H等通过Recursive从Riccati方程中求解出了更简单同时保持高精度的控制器[8]。W Tan基于广义系统,分解Riccati方程,提出一个与摄动参数无关的H∞次优控制器存在的前提[9]。
    1.5  本文的主要工作
     本文将首先通过建立四旋翼飞行器的数学模型,分析其运动特性,建立分运动下的数学模型,并将其线性化。再将奇异摄动理论和LQR与H∞理论相结合,设计适用四旋翼飞行器的控制器。具体步骤如下:
    (1) 根据牛顿的运动学定理建立起数学模型,并根据其飞行方式分运动,划分若干简单运动模式,然后利用小扰动分析法对各个运动模式建立线性模型。
    (2) 利用LQR思想,设计分运动后线性化模型的LQR控制器,再设计奇异摄动模型下的LQR控制器,分别应用与原系统并作比较分析。
    (3) 利用H∞控制思想,设计分运动后线性化模型的H∞控制器,再设计奇异摄动模型下的H∞控制器,并应用与原系统进行仿真验证。
    (4) 分析对比两种控制方式的优缺点。
    (5) 最后是总结和展望。
    2  四旋翼飞行器数学模型建立
    四旋翼飞行器机身上有四个关于中心对称旋翼,并可以垂直升降的飞行器。相对于单个旋翼,四旋翼的叶片相对机身小很多,这使得飞行器的控制和稳定难度降低。另外由于其组建和文护的简易性,还有悬停和垂直升降的能力,四旋翼飞行器经常以测试平台的的角色出现在实验室中。
    从第一部分介绍可知,控制算法对可控飞行的作用至关重要。而为了设计一个性能良好的控制器,首先要建立好能够精确描述飞行器动力的数学模型。
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