[论文解读] Onboard Multivariable Controller Design for a Small Scale Helicopter Using Coefficient Diagram Method

Agus Budiyono|ArXiv.org|Jun 4, 2008

Control Systems and Identification参考文献 9被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于系数图法（CDM）的小型直升机机载多变量控制器，以在悬停和巡航飞行期间实现鲁棒性能。基于CDM的设计整合了稳定性、鲁棒性和时域响应指标，通过混合监督控制架构中的低层控制器，有效控制了直升机高度敏感且高带宽的动力学特性，成功在实时约束条件下验证了所需动态响应。

ABSTRACT

A mini scale helicopter exhibits not only increased sensitivity to control inputs and disturbances, but also higher bandwidth of its dynamics. These properties make model helicopters, as a flying robot, more difficult to control. The dynamics model accuracy will determine the performance of the designed controller. It is attractive in this regards to have a controller that can accommodate the unmodeled dynamics or parameter changes and perform well in such situations. Coefficient Diagram Method (CDM) is chosen as the candidate to synthesize such a controller due to its simplicity and convenience in demonstrating integrated performance measures including equivalent time constant, stability indices and robustness. In this study, CDM is implemented for a design of multivariable controller for a small scale helicopter during hover and cruise flight. In the synthesis of MIMO CDM, good design common sense based on hands-on experience is necessary. The low level controller algorithm is designed as part of hybrid supervisory control architecture to be implemented on an onboard computer system. Its feasibility and performance are evaluated based on its robustness, desired time domain system responses and compliance to hard-real time requirements.

研究动机与目标

• 解决控制小型直升机所面临的挑战，其具有高敏感性和高带宽，需要鲁棒且精确的控制。
• 开发一种机载多变量控制器，即使在存在未建模动态和参数变化的情况下也能保持性能。
• 应用系数图法（CDM）进行系统化控制器综合，集成稳定性、鲁棒性和时域响应指标。
• 确保控制器满足硬实时要求，并可在嵌入式系统上实现。
• 通过仿真以及对动态响应和鲁棒性的评估，验证控制器的可行性与性能。

提出的方法

• 应用系数图法（CDM）设计用于MIMO直升机系统的多变量控制器，利用其能够整合等效时间常数和稳定性裕度等性能指标的能力。
• 基于实际经验得出的设计原则合成控制器，确保实际可行性及对模型不确定性的鲁棒性。
• 在混合监督控制架构中嵌入低层控制器，以实现在机载计算机系统上的实时实现。
• 通过时域响应分析和稳定性指标，评估上升时间、调节时间及鲁棒性等性能指标。
• 在悬停和巡航飞行条件下对控制器进行测试，以评估其适应性和动态响应。
• 在控制器综合过程中直接整合等效时间常数和稳定性指标，确保性能与鲁棒性的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计多变量控制器，以确保对具有高动态带宽的小型直升机实现鲁棒性和期望的时域性能？
• RQ2 系数图法（CDM）在多变量直升机控制系统中，能在多大程度上实现稳定性、鲁棒性和瞬态响应的集成优化？
• RQ3 基于CDM的控制器能否在机载计算机系统上实现有效实时运行，同时在模型不确定性下保持性能？
• RQ4 控制器在悬停和巡航飞行阶段的动态响应和扰动抑制性能如何？
• RQ5 设计常识在CDM成功应用于复杂直升机动力学中起到何种作用？

主要发现

• 基于CDM的控制器在悬停和巡航飞行操作期间成功实现了期望的时域响应，包括可接受的上升时间和调节时间。
• 控制器表现出对未建模动态和参数变化的鲁棒性，稳定性指标和性能指标均予以证实。
• 实现满足硬实时要求，证实了其在嵌入式系统上机载部署的可行性。
• 在CDM框架内直接整合等效时间常数和稳定性指标，实现了性能与鲁棒性的平衡与系统化控制器设计。
• 嵌入在混合监督架构中的低层控制器，确保了在动态飞行条件下可靠且响应迅速的控制。
• 本研究证实CDM是合成小型直升机系统多变量控制器的一种实用且有效的方法。